MODELAGEM NUMÉRICA 3D DE ESCAVAÇÃO MECANIZADA DE TÚNEIS COM TBM
Daliana Cristina Possari
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Orientadora: Anna Laura Lopes da Silva Nunes
Rio de Janeiro Maio de 2016
ii MODELAGEM NUMÉRICA 3D DE ESCAVAÇÃO MECANIZADA DE TÚNEIS
COM TBM
Daliana Cristina Possari
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.
Examinada por:
_______________________________________________
Prof.ª Anna Laura Lopes da Silva Nunes, Ph.D.
_______________________________________________
Profª. Ana Cristina Castro Fontenla Sieira, D.Sc.
_______________________________________________
Prof. Alberto Sampaio Ferraz Jardim Sayão, Ph.D.
_______________________________________________
Prof. Francisco de Rezende Lopes, Ph.D.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MAIO DE 2016
iii Possari, Daliana Cristina
Modelagem numérica 3D de escavação mecanizada de túneis com TBM – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2016.
XVII, 105 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Anna Laura Lopes da Silva Nunes
Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Civil, 2016.
Referências Bibliográficas: p. 102-105.
1. Escavação de túneis. 2. Tunnel Boring Machine (TBM). 3. Modelagem numérica. I. Nunes, Anna Laura Lopes da Silva. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil. III. Título.
iv À minha família, por ser meu porto seguro.
v AGRADECIMENTOS
Aos meus pais por estarem sempre ao meu lado guiando meus passos e iluminando meu caminho.
Ao meu irmão pelo amor e apoio incondicional.
À minha orientadora, Professora Anna Laura Nunes, obrigada pelos ensinamentos, amizade e por ser exemplo e inspiração profissional.
Ao Consórcio Linha 4 Sul, na pessoa do Eng.° Alberto Lima, pelas sugestões e disponibilização de dados e informações técnicas.
À Terratek pela disponibilização do software Plaxis 3D utilizado nesta modelagem.
Aos amigos das empresas CJC Engenharia e Engecorps pelas dicas, apoio e companheirismo.
À minha família e amigos do grande Sertão Fernandopolense pela compreensão nos momentos ausência.
Agradeço ao meu futuro marido Julio Queiroga pelo amor e companheirismo em todos os momentos, inclusive nos de angústia e desespero. Seu carinho, amor e apoio foram essenciais para esta conquista.
Agradeço finalmente a Deus, pela minha vida e de minha família.
vi Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
MODELAGEM NUMÉRICA 3D DE ESCAVAÇÃO MECANIZADA DE TÚNEIS COM TBM
Daliana Cristina Possari
Maio/2016
Orientadora: Anna Laura Lopes da Silva Nunes Programa: Engenharia Civil
A escavação mecanizada vem sendo cada vez mais utilizada na concepção de túneis urbanos inseridos em complexas condições geológicas com bastante sucesso. O entendimento dos processos envolvidos e gestão do controle de escavação e das movimentações na superfície, decorrentes da atividade de escavação de túneis por meio de tuneladoras é ferramenta indispensável para gerir riscos e mitigar eventos inesperados que podem colocar em risco a segurança da obra em meio urbano, onde qualquer má gestão pode ter sérias consequências.
Este trabalho apresenta o desenvolvimento da modelagem numérica 3D de um trecho da escavação mecanizada do túnel da Linha 4 Sul na Zona Sul da cidade do Rio de Janeiro. Os estudos numéricos foram subsidiados pelos dados/registros de acompanhamento da obra, disponibilizados pela empreiteira responsável pela escavação com a TBM (Tunnel Boring Machine). A comparação de resultados reais e numéricos mostrou que a modelagem da escavação com o programa Plaxis 3D é muito satisfatória e auxilia a compreensão do comportamento do maciço sob os esforços da escavação mecanizada.
vii Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M. Sc.)
NUMERICAL 3D MODEL FOR THE SIMULATION OF MECHANIZED TUNNEL EXCAVATION WITH TBM
Daliana Cristina Possari
May/2016
Advisor: Anna Laura Lopes da Silva Nunes
Department: Civil Engineering
The machanized excavation has been increasingly used in the urban tunnel conception successfully inserted in complex geological conditions. The excavation control management, moves on the surface and the involved process learning arising from the tunnel excavation activity through TBM (Tunnel Boring Machine) is an essencial tool to manage risks and mitigate unexpected events which may jeopardize the work safety at urban environment, where any mismanagement may have several consequences. This paper presents the 3D numerical modelling developing of the South Line 4 tunnel automated excavation stretch in the South Zone of the Rio de Janeiro city. The numerical studies were subsidised by the work follow-up data/records, available by the contractor responsible for the excavation along with the TBM. The numerical and real result comparison has showed that the excavation modelling with the Plaxis 3D program is satisfactory and besides, it aids the mass bahavior learning under the automated excavation efforts.
viii
ÍNDICE GERAL
1 . INTRODUÇÃO ... 1
1.1. Importância da Pesquisa ... 1
1.2. Objetivos ... 2
1.3. Organização da Dissertação ... 3
2 . REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 4
2.1. Escavação de túneis ... 4
2.2. O NATM como método construtivo ... 5
2.3. Escavação Mecanizada ... 8
3 . ÁREA EM ESTUDO E TBM ADOTADA ... 22
3.1. Geologia da Região do Rio de Janeiro ... 22
3.1.1. Geologia da Cidade do Rio de Janeiro ... 25
3.1.2. Geologia da Área da Linha 4 Sul ... 28
3.2. Histórico Geológico da Área em Estudo ... 30
3.3. Geologia do Trecho em Estudo ... 32
3.4. Classificação Geológico-Geotécnica e Nomenclatura das Litologias Principais ... 37
3.5. Parâmetros estimados para os solos ... 40
3.6. Os métodos construtivos utilizados no projeto ... 45
3.7. A TBM Adotada no Projeto ... 46
3.7.1. Modos de operação do TBM utilizado no caso em estudo ... 51
3.8. Definição do trecho para estudo ... 61
4 . METODOLOGIA DE ESTUDO ... 70
4.1. O PLAXIS 3D ... 70
4.2. Modelo constitutivo selecionado para a modelagem numérica do trecho . 71 4.3. Modelagem numérica do trecho em estudo ... 72
ix 4.3.1. Aspectos geotécnicos dos materiais e geometria do caso adotados na
modelagem ... 73
4.3.2. Cargas consideradas ... 77
4.3.3. Contração do Escudo da TBM... 82
4.3.4. Malha de Cálculo... 83
4.3.5. Condições de Apoio ... 84
5 . RESULTADOS E ANÁLISES ... 86
5.1. Introdução ... 86
5.1. Tensões ... 86
5.2. Estabilidade da frente de escavação ... 88
5.3. Deslocamentos ... 88
6 . CONCLUSÕES E SUGESTÕES ... 100
6.1. Conclusões ... 100
6.2. Perspectivas para trabalhos futuros ... 101
7 . REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 102
x
ÍNDICE DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2.1 – Interior e desemboque da Cloaca Massima em Roma (MOREIRA,
2006). ... 4
Figura 2.2 – Sequência Executiva típica do método NATM (Fonte: Site do metrô/SP). ... 7
Figura 2.3 – TBM-Gripper (herrenknecht.com). ... 10
Figura 2.4 – TBM com Shield simples (herrenknecht.com). ... 11
Figura 2.5 – TBM de Shield duplo (herrenknecht.com). ... 12
Figura 2.6 – Princípio operacional de uma TBM-EPB (herrenknecht.com). ... 13
Figura 2.7 – Detalhe da injeção de graute no espaço anelar entre o anel e o maciço (CAMPOSINHOS, 2008). ... 15
Figura 2.8 – Esquema típico de uma TBM-EPB e seus componentes (herrenknecht.com). ... 17
Figura 2.9 – Esquema típico de uma Slurry Shield e seus componentes (herrenknecht.com). ... 19
Figura 2.10 – Curvas granulométricas para o intervalo de aplicação do Slurry Shield (KRAUSE, 1987). ... 20
Figura 2.11 – Esquema típico de tuneladora mista (herrenknecht.com). ... 21
Figura 3.1 - Cenário geotectônico do centro-sul brasileiro (HASUI, 2010). ... 22
Figura 3.2 - Sistemas transcorrentes Campo do Meio e Paraíba do Sul com orientação preferencial NE/SW dos alinhamentos (MONTEIRO et al., 2012). .... 23
Figura 3.3 - Mapa geológico da região sul do município do Rio de Janeiro (CPRM, 2010). ... 25
Figura 3.4 - Mapa geológico-estrutural da região da Linha 4 Sul do Metrô do Rio de Janeiro (Stein et al., 2010). ... 28
Figura 3.5 - Eixo da Linha 4 Sul em pintura de L. Camões da região de Ipanema, Leblon e Gávea (1900), vista da região da Rocinha. ... 31
xi Figura 3.6 - Eixo da Linha 4 Sul em pintura de L. Camões da região de Ipanema,
Leblon e Gávea (1904), vista da região do Cantagalo. ... 32
Figura 3.7 - Planta Geral do trecho estudado da Linha 4 Sul. ... 33
Figura 3.8 - Perfil Geológico e Geotécnico entre as Estações Jardim de Alah e Antero de Quental (PROMOM, 2013). ... 35
Figura 3.9 - Perfil Geológico-Geotécnico na base do Morro Dois Irmãos. ... 37
Figura 3.10 - Unidades geológico-geotécnicas propostas para o trecho General Osório – Gávea da Linha 4 Sul do metrô do Rio de Janeiro. ... 38
Figura 3.11 - Traçado da Linha 4 do Metrô (Rio de Janeiro/RJ). ... 45
Figura 3.12 - Trecho executado em NATM – Ligação entre a Estação Gávea e a Estação Jardim Oceânico (Fotos de Julio Torres). ... 46
Figura 3.13 - Tuneladora utilizada na escavação da Linha 4 Sul – Rio de Janeiro. ... 47
Figura 3.14 - Chegada da tuneladora à Estação Nossa Senhora da Paz em Ipanema. ... 48
Figura 3.15 - Vista superior de parte do backup da tuneladora em passagem pela Estação Nossa Senhora da Paz. ... 48
Figura 3.16 - Trecho do túnel escavado entre as Estações Nossa Senhora da Paz e Jardim de Alah. ... 49
Figura 3.17 - Vista do túnel para a Estação General Osório. ... 49
Figura 3.18 - Vista esquemática da tuneladora. ... 50
Figura 3.19 - Configuração da máquina em Modo Aberto-1. ... 51
Figura 3.20 - Configuração da máquina em Modo Aberto-2. ... 52
Figura 3.21 - Configuração da máquina em Modo de Transição. ... 54
Figura 3.22 - Configuração da máquina em Modo Fechado-1 ou EPB-1. ... 55
Figura 3.23 - Configuração da máquina em Modo Fechado-2 ou EPB-2. ... 57
Figura 3.24 - Configuração da máquina em Modo Fechado-3 ou EPB-3. ... 58
xii Figura 3.25 - Esquema de instalação dos Strain Gages no anel instrumentado (CJC Engenharia, 2014). ... 61 Figura 3.26 - Esquema cronológico de instalação de anéis do trecho em estudo.
... 63 Figura 3.27 - Esquema cronológico de passagem da frente de escavação pelo trecho em estudo. ... 64 Figura 3.28 Localização de sondagens, instrumentação de maciço do trecho em estudo e Seção Pk 9.8+75,00. ... 65 Figura 3.29 - Seção de Instrumentação Pk 9.8+75,00 – Tassômetros e Marcos Superficiais. ... 66 Figura 3.30 - Detalhe do Perfil Geológico e Nível d’água na região da seção Pk 9,8+75,00 (R-9502-012-0 - Perfil Geológico e Geotécnico entre as Estações Jardim de Alah e Antero de Quental. ... 67 Figura 3.31 - Tassômetros da Seção de estudo (Pk9,8+75,00) – Em destaque o período entre escavação e instalação do anel sob esta seção. ... 68 Figura 3.32 - Marcos Superficiais da Seção de estudo (Pk9,8+75,00) – Em destaque o período entre escavação e instalação do anel sob esta seção. ... 68 Figura 3.33 - Leituras dos Indicadores de Nível d’Água da região em estudo. .... 69 Figura 4.1 - Relação tensão-deformação Modelo Mohr-Coulomb – Elasto-plástico perfeito (Plaxis, 2013). ... 71 Figura 4.2 - Esquema de forças consideradas na modelagem numérica. ... 72 Figura 4.3 - Fases notáveis de escavação adotadas na modelagem numérica... 73 Figura 4.4 - Seção do túnel – Pk 9,8+75,00. ... 74 Figura 4.5 – Anéis utilizados no metrô da Luinha 4 Sul. ... 77 Figura 4.6 - Dimensões longitudinais da TBM utilizada. ... 78 Figura 4.7 - Disposição dos grupos de cilindros de impulso na seção da TBM. .. 79 Figura 4.8 - Pressões de escavação e de grauteamento do anel na geratriz superior da escavação – Em destaque pressões utilizadas para escavação e grauteamento dos anéis sob a seção Pk9,8+75,00. ... 81 Figura 4.9 - Esquema de cargas consideradas na modelagem numérica. ... 81
xiii Figura 4.10 - Representação das forças consideradas na modelagem numérica.
... 82 Figura 4.11 - Esquema da contração aplicada ao escudo da TBM. ... 82 Figura 4.12 - Malha 3D de elementos finitos utilizada na modelagem numérica. 84 Figura 4.13 - Visualização gráfica da boa qualidade da malha utilizada na modelagem. ... 84 Figura 4.14 - Condições de apoio do modelo numérico. ... 85 Figura 5.1 – Tensões principais totais maiores (σ1) ao final da escavação. ... 87 Figura 5.2 - Tensões principais totais intermediárias (σ2) ao final da escavação. 87 Figura 5.3 - Tensões principais totais menores (σ3) ao final da escavação. ... 87 Figura 5.4 – Pressão de colapso da frente de escavação simulada com o Plaxis 3D. ... 88 Figura 5.5 - Malha deformada na superfície. ... 89 Figura 5.6 – Malha deformada na superfície, anéis, ao redor do túnel e no escudo da tuneladora. ... 89 Figura 5.7 – Deslocamentos verticais observados nas fases notáveis do modelo.
... 90 Figura 5.8 – Distribuição dos deslocamentos verticais ao final da modelagem. .. 91 Figura 5.9 – Distribuição dos deslocamentos verticais na seção de estudo. ... 91 Figura 5.10 – Deslocamentos do tassômetro e marco superficial da seção Pk 9,8+75,00 calculados numericamente. ... 94 Figura 5.11 – Disposição dos instrumentos na seção. ... 94 Figura 5.12 - Deslocamentos dos marcos superficiais da seção Pk 9,8+75,00 calculados numericamente. ... 96 Figura 5.13 - Deslocamentos dos tassômetros da seção Pk 9,8+75,00 calculados numericamente. ... 97 Figura 5.14 – Comparação entre deslocamentos medidos e calculados numericamente - Marcos Superficiais. ... 98
xiv Figura 5.15 - Comparação entre deslocamentos medidos e calculados numericamente – Tassômetros. ... 99
xv
NDICE DE TABELAS
Tabela 3.1 - Classificação e descrição de maciços rochosos intemperizados conforme ISRM (1981). ... 39 Tabela 3.2 - Resumo das sondagens presentes no trecho selecionado para estudo.
... 41 Tabela 3.3 - Resumo dos parâmetros estimados para 1At, 2Ta e 3Agme (mod.
PROMON, 2013). ... 42 Tabela 3.4 - Resumo dos parâmetros estimados para 3Agri, 3Arco e 3Armc (mod.
PROMON, 2013). ... 43 Tabela 3.5 - Parâmetros estimados - solos residuais (mod. PROMON, 2013). ... 44 Tabela 3.6 - Resumo das características operacionais – Modo Aberto-1. ... 52 Tabela 3.7 - Resumo das características operacionais – Modo Aberto-2. ... 53 Tabela 3.8 - Resumo das características operacionais – Modo de Transição. .... 54 Tabela 3.9 - Resumo das características operacionais – Modo Fechado-1 ou EPB- 1. ... 56 Tabela 3.10 - Resumo das características operacionais – Modo Fechado-2 ou EPB- 2. ... 57 Tabela 3.11 - Resumo das características operacionais – Modo Fechado-3 ou EPB- 3. ... 59 Tabela 3.12 - Resumo dos Modos de Operação ... 60 Tabela 4.1 - Parâmetros dos solos adotados na modelagem numérica. ... 75 Tabela 4.2 - Parâmetros adotados para representar o shield da TBM (Plaxis 3D Manual)... 75 Tabela 4.3 - Parâmetros adotados para representar o revestimento utilizado no túnel – Anéis em Concreto Pré-Moldado. ... 76 Tabela 4.4 - Dados Geométricos da Seção do Túnel. ... 77 Tabela 4.5 - Força de Impulso aplicada por cada grupo de cilindros no último anel instalado. ... 79
xvi Tabela 5.1 – Comparação de deslocamentos verticais medidos e numéricos em função da distância da frente. ... 92 Tabela 5.2 – Comparação de deslocamentos verticais medidos e numéricos em função dos eventos de escavação com TBM. ... 95 Tabela 5.3 - Comparação da estabilização dos deslocamentos verticais medidos e numéricos ... 99
xvii
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES
TBM - Tunnel Boring Machine EPB - Earth Pressure Balance NATM - New Austrian Tunneling Model D - Diâmetro da tuneladora
MS - Marco Superficial TS - Tassômetro
c - contração do escudo da TBM cref - contração de referência (Plaxis 3D) cinc,axial - incremento de contração axial (Plaxis 3D) d - espessura da tuneladora
- ângulo de atrito
nat - peso específico natural
- coeficiente de Poisson
- ângulo de dilatância.
c, c’ - coesão
e - índice de vazios
E - módulo de elasticidade Eoed - módulo oedométrico G - módulos de cisalhamento Rinter - fator de redução da interface
- deformações
p - deformações plásticas
e - deformações elásticas
- tensão
1
1. INTRODUÇÃO
1.1. Importância da Pesquisa
Com o crescimento das áreas urbanas, tanto em população quanto em área geográfica, existe uma necessidade crescente de implantação de novas infraestruturas, especialmente o desenvolvimento de transporte público, que por vezes, só pode ser executado subterraneamente em áreas urbanas, cada vez mais populosas, devido à falta de espaço físico à superfície.
A escavação de um túnel introduz uma alteração do estado inicial do solo. Esta alteração leva à geração de movimentos em zonas relativamente próximas à escavação, a fim de se restabelecer um novo equilíbrio de tensões. Esta situação tem particular importância em zonas urbanas, nas quais os movimentos do maciço devido à construção de túneis podem afetar os edifícios ou outras infraestruturas próximas do local de escavação, cujo dimensionamento não foi feito para suportar estes movimentos adicionais.
A estimativa destes movimentos necessita, em cada caso específico, de estudos detalhados que analisem a natureza do terreno, as suas propriedades, o processo construtivo do túnel, a geometria do problema, entre outros fatores. Posteriormente a estes estudos, podem ser realizadas análises numéricas, prevendo assim as possíveis deformações do maciço provenientes da escavação e construção de um túnel.
As análises numéricas de escavação de túneis têm sido cada vez mais realizadas em função do histórico de resultados bem sucedidos, indicando concordância do modelo numérico com a realidade da escavação. Diversos programas numéricos se encontram disponibilizados comercialmente, incentivando seu emprego como ferramenta auxiliar para análise de comportamentos de maciços escavados. Na prática, o desenvolvimento das análises numéricas de túneis é mais frequentemente realizado em situações com características complexas de escavação (GIODA E SWOBODA, 1999).
Desta forma, este trabalho apresenta soluções numéricas em elementos finitos, realizadas por meio do programa Plaxis 3D, para as deformações medidas no maciço durante a escavação mecanizada do túnel pertencente à Linha 4 Sul do metrô do Rio de Janeiro, em trecho escavado em areia.
Esta pesquisa procura contribuir para o melhor entendimento dos processos de escavação e controle de movimentações na superfície, decorrentes da atividade de escavação de túneis por meio de tuneladoras, sobretudo nos meios de língua portuguesa onde a literatura sobre o tema é tão escassa.
2 O entendimento destes processos e controle das movimentações do maciço tornam-se importantes ferramentas facilitadoras para o acompanhamento do avanço das escavações em tempo real e estabelecimento de níveis de alerta para a escavação em função das deformações do maciço observadas na obra.
1.2.Objetivos
A pesquisa desenvolvida tem como objetivo principal a modelagem numérica tridimensional da escavação de um maciço arenoso com máquina tuneladora, Tunnel Boring Machine – TBM, em ambiente urbano (Zona Sul do Rio de Janeiro/RJ) por meio do Método dos Elementos Finitos, utilizando como recurso numérico o programa Plaxis 3D A modelagem visou avaliar o comportamento mecânico do terreno frente aos esforços de escavação. Para tanto foi selecionado o caso real da escavação da Linha 4 do Metrô do Rio de Janeiro com a tuneladora especialmente projetada para esta obra. A seção analisada corresponde ao maciço de areia do trecho escavado em Ipanema.
Vários objetivos específicos foram visados, destacando-se os seguintes:
i. Modelagem numérica 3D do avanço de escavação e da construção do túnel com TBM em maciço arenoso da Zona Sul da cidade do Rio de Janeiro/RJ com o programa Plaxis 3D;
ii. Análise do comportamento do maciço escavado em função do avanço da frente de escavação, obtido numericamente;
iii. Comparação e validação dos resultados de deslocamentos do modelo numérico com os resultados reais medidos por marcos superficiais e tassômetros instalados na seção de estudo do túnel do metrô do Rio de Janeiro (Linha 4 Sul).
3 1.3. Organização da Dissertação
O presente trabalho desenvolve-se em seis capítulos, dos quais o primeiro é a presente introdução que se destina a fazer um enquadramento geral do tema, destacando sua importância e os objetivos da pesquisa.
No segundo capítulo é feita uma revisão bibliográfica que apresenta um resumo dos assuntos relevantes para o entendimento do caso de estudo. Neste capítulo são abordados os métodos de escavação de túneis utilizados atualmente, mecanizados ou não, além de apresentar diferentes tipos de máquina tuneladora e suas particularidades.
O terceiro capítulo apresenta a descrição geológica e geotécnica e investigações da área de estudo, bem como os métodos construtivos e detalhamento da TBM utilizada para a escavação do túnel na seção selecionada.
No quarto capitulo é feita uma introdução ao programa de elementos finitos utilizado na presente modelagem, uma rápida descrição do modelo constitutivo adotado e a definição das propriedades do modelo numérico correspondente ao caso estudado.
No quinto capítulo são apresentados os resultados numéricos obtidos na modelagem, bem como as análises de influência da escavação e construção do túnel, além da comparação de resultados calculados e medidos em campo.
Por último, o sexto capítulo reúne as impressões e conclusões do presente trabalho e perspectivas de investigações futuras.
4
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Escavação de túneis
O emprego de obras subterrâneas para acomodação dos transportes, e da infraestrutura necessária nos grandes centros urbanos tem se mostrado uma solução interessante. A redução na ocupação dos limitados espaços físicos à superfície e a mitigação de impactos nos arredores das obras corroboram este conceito e ressaltam a importância dos tuneis no meio urbano da atualidade.
Segundo FOÁ (2005), as vantagens de uma estrutura subterrânea, em particular aquelas relacionadas com a proteção do meio ambiente, não são facilmente quantificadas em termos de valor monetário, o que torna desproporcional a comparação de obras subterrâneas com soluções superficiais.
MOREIRA (2006) cita que há indícios em cavernas pré-históricas francesas e chinesas sugerindo que, já naquela época, havia algum conhecimento sobre estabilidade de cavidades subterrâneas. Tumbas, canais de irrigação e minas foram outros propósitos históricos a que se prestaram túneis já a partir do período Neolítico. Narrativas do grego Heródoto descrevem a utilização de túneis no século VI a.C. para derivação de água em rios, construídos por Tales de Mileto. Aos romanos antigos cabe a responsabilidade pela Cloaca Massima em Roma, mostrado na Figura 2.1, túnel para condução de esgoto e o mais famoso de seu tempo, por suas dimensões e complexidade.
Figura 2.1 – Interior e desemboque da Cloaca Massima em Roma (MOREIRA, 2006).
5 FRANÇA (2006) destaca que, ao longo da história dos túneis, muitas obras foram realizadas de forma empírica, contando com a experiência de construtores e, mais tarde, engenheiros. Os conhecimentos baseavam-se em túneis anteriormente construídos.
Com a relação indissociável entre aspectos técnicos e econômicos, aos quais se somam as questões de segurança e meio ambiente, veio a necessidade de se tratar as obras subterrâneas com maior rigor cientifico. Isto significou uma mudança na filosofia de construção de túneis, que deixou de ter um caráter puramente empírico para assumir contornos mais analíticos (TRAVAGIN, 2012).
A movimentação do maciço associada com escavações subterrâneas é de grande interesse, não apenas devido aos efeitos dos danos que podem vir a ocorrer nas adjacências da escavação, mas também devido à relaxação do maciço na direção do túnel durante a escavação, levando a significativas reduções dos carregamentos que serão transferidos para o sistema de suporte, comparado com aqueles que poderiam ser calculados para as tensões iniciais no maciço (VAN DER BERG et al., 2003). Em outras palavras, pode-se comentar que a análise geotécnica de uma escavação subterrânea consiste em estabilizar, pelo menor custo, uma perturbação provocada no interior de um maciço.
Em uma classificação simplificada, SAUER E MERGELSBERG (2004) dividem as metodologias de escavação em Túneis Mineiros e Túneis Mecanizados. Nos próximos itens é apresentada a metodologia ainda mais utilizada no Brasil para a escavação de túneis, a metodologia construtiva NATM (New Austrian Tunnelling Method). Além disto, são também apresentadas algumas alternativas de máquinas tuneladoras que podem ser empregadas na execução de túneis mecanizados.
2.2. O NATM como método construtivo
O NATM (New Austrian Tunnelling Method) é uma metodologia construtiva de túneis que foi desenvolvida entre 1957 e 1965 na Áustria. Trata-se de uma abordagem metodológica que integra os princípios do comportamento dos maciços e monitora o desempenho da construção subterrânea durante a construção.
Desde então este método vem sendo amplamente utilizado com sucesso na construção de túneis e estações subterrâneas de grandes dimensões no mundo todo. Uma de suas vantagens é a adaptabilidade da seção de escavação, que pode ser modificada em qualquer ponto, de acordo com as necessidades geométricas e de parcialização da escavação, que, às vezes, torna-se necessária dependendo das condições geológico-geotécnicas do maciço a ser escavado.
6 Todavia, conforme observação de SILVA (2007), o termo NATM tende a cair em desuso.
Esta tendência deve-se ao fato dos princípios do método já não serem tão novos como sugere o nome e também à utilização dos procedimentos para além dos limites da Áustria.
O NATM consiste na escavação sequencial do maciço utilizando concreto projetado como suporte, associado a outros elementos como cambotas metálicas, chumbadores e fibras no concreto, em função da capacidade autoportante do maciço.
Por meio do método NATM, a deformação do maciço adjacente é deliberadamente favorecida, adaptando-a ao contorno escavado, bem como redistribuindo e reduzindo as tensões máximas induzidas, evitando-se assim a desagregação do maciço. Ao se permitir a deformação do maciço, há realização de trabalho, ou seja, as tensões existentes logo após a escavação variam com os deslocamentos induzidos no maciço, reduzindo então a tensão a ser suportada pelas paredes do túnel. Existe, assim, a possibilidade de que a estrutura do túnel seja mais delgada.
Neste método construtivo, a execução de túneis normalmente segue a sequência executiva típica indicada na Figura 2.2 e representada pelas seguintes etapas:
1. Execução de possíveis tratamentos e drenos horizontais profundos;
2. Escavação de um avanço de meia seção;
3. Instalação do suporte (Cambota) e projeção de concreto na parede da escavação;
4. Execução de arco invertido invert provisório;
5. Escavação do rebaixo em nichos laterais;
6. Instalação do suporte (Cambota) e projeção de concreto na parede da escavação do rebaixo;
7. Escavação do arco invertido invert definitivo;
8. Fechamento do suporte (Cambota) e projeção do arco invertido definitivo;
Execução do revestimento final do túnel.
7 Figura 2.2 – Sequência Executiva típica do método NATM (Fonte: Site do metrô/SP).
Para escavações com baixa cobertura (executadas próximas à superfície), bem como em áreas urbanas ou de alto tráfego, o NATM pode não ser a solução mais adequada devido à necessidade de sistemas e tratamentos auxiliares que possibilitem a escavação.
O NATM caracteriza-se como um método de escavação de túneis que busca o equilíbrio da escavação pela instalação progressiva de suportes (concreto projetado, cambotas e chumbadores) mínimos e bastante flexíveis, com o acompanhamento e controle da evolução das deformações até que estas sejam estabilizadas. Se constatada alguma tendência de instabilização executa-se uma nova fase de suporte.
Dessa forma, procura-se otimizar a utilização do suporte pelo aproveitamento da capacidade de auto sustentação do maciço. Para tanto, é necessária e obrigatória a implantação de um sistema de instrumentação para que seja possível avaliar o desempenho do sistema em termos de deformações e de segurança.
São estes os principais princípios em que o NATM está baseado:
i. O principal suporte de um túnel é o maciço que o circunda;
ii. Proteção do maciço por concreto projetado;
iii. Monitoramento de deformações do maciço e do suporte;
iv. Os suportes que interagem com o maciço devem ser aplicados no tempo correto, ou seja, respeitando as características geomecânicas do maciço;
v. Preenchimento da seção basal (invert);
8 vi. Classificação do maciço rochoso determina as medidas de sustentação.
2.3. Escavação Mecanizada
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).
22
3. ÁREA EM ESTUDO E TBM ADOTADA
3.1.Geologia da Região do Rio de Janeiro
O Estado do Rio de Janeiro, situado na Região Sudeste do país está geotectonicamente contido na Província Mantiqueira, uma das províncias estruturais definidas por ALMEIDA et al.
(1981). Essa entidade cobre uma extensa área (cerca de 700.000 km2) e é a mais complexa província estrutural afetada pelo ciclo orogênico neoproterozóico/cambriano (Brasiliano) na América do Sul. A província estende-se do paralelo 33 S, no Uruguai, até o sul da Bahia, no paralelo 15 S, por cerca de 3.000 km de extensão e com largura média de 200km (CPRM, 2001). Está disposta paralelamente à costa brasileira, junto às margens orientais dos crátons Rio de La Plata e São Francisco (Figura 3.1).
Figura 3.1 - Cenário geotectônico do centro-sul brasileiro (HASUI, 2010).
23 No embasamento da região de estudo aqui contemplada ocorrem majoritariamente duas unidades geológicas com idades que vão do meso ao neoproterozóico, inseridas em um importante sistema de falhas transcorrentes, com estruturação regional NE/SW. Nota-se também outro sistema de ocorrência mais localizada, com estruturação NNW/SSE.
Estes sistemas transcorrentes relacionam-se com tectônica de escape ou cinturões transpressivos. São os sistemas Transamazônicos, Piranhas, Campo do Meio, Dorsal do Canguçu e Paraíba do Sul, este último corresponde ao sistema onde está inserida a região sul do município do Rio de Janeiro (Figura 3.2). As lineações de estiramento do orógeno Ribeira possuem direções em torno de NE-SW, coerentes com o sistema transcorrente Paraíba do Sul, e indicam a direção do transporte de massas e sentido de movimento, que coincide com sentido para o qual o metamorfismo regional decresce (HASUI, 2010).
Figura 3.2 - Sistemas transcorrentes Campo do Meio e Paraíba do Sul com orientação preferencial NE/SW dos alinhamentos (MONTEIRO et al., 2012).
A estratigrafia da região metropolitana do Rio de Janeiro pode ser observada na Folha Baía da Guanabara (CPRM, 2009) e é marcada por um enorme hiato de duração de cerca 350 milhões de anos, que compreendeu a maior parte do Paleozóico e Mesozóico, desde os derradeiros granitos produzido pelos eventos Brasilianos, já no Ordoviciano (ca. 480 Ma), até a reativação do Cretáceo Inferior (ca. 130 Ma), quando se iniciou o enxameamento de diques de diabásio que precedeu a abertura do Oceano Atlântico e a separação da América do Sul da África.
24 A geologia representada na Folha Baía da Guanabara contempla essencialmente seis grandes agrupamentos estratigráficos (CPRM, 2009):
i. Embasamento cristalino: de natureza gnáissico-migmatítico-granítica pertencente à faixa orogênica Ribeira, antiga e erodida cadeia de rochas dobradas e cisalhadas que se estende aproximadamente paralelamente ao litoral sudeste do Brasil. Esta faixa é resultante de um longo ciclo de convergências e colisões de massas continentais outrora dispersas, e que levou à formação, há cerca de 500 Ma, de um enorme continente austral pretérito, denominado Gondwana;
ii. Enxame de diques de diabásio: intrudidos no Cretáceo inferior (~130 Ma), com direção ENE, prenúncio da quebra do supercontinente Gondwana e individualização da América do Sul e da África, a partir de emanações basálticas da astenosfera subjacente, sobreaquecida e ascendente;
iii. Rochas magmáticas alcalinas: são intrusões (diques, stocks) hipo-abissais de rochas magmáticas alcalinas, compreendendo nefelina sienitos, traquitos, tinguaítos, e fonolitos predominantes, com idades concentrando-se em ca. 65 Ma e ca. 40 Ma;
iv. Coberturas sedimentares do Rifte da Guanabara: representadas pelas formações Macacu (Paleoceno-Eoceno) e Barreiras (Mioceno), depositadas no Gráben da Guanabara, depressão tectônica desenvolvida a partir do Paleoceno em resposta à distensão crustal NW-SE, formando calhas tectônicas de rifte de direção ENE-WSW. Compreendem a Bacia do Macacu, a parte norte da Baía da Guanabara, e seu prolongamento para SW até a Baía de Sepetiba;
v. Coberturas sedimentares pleisto-holocênicas: são depósitos aluviais e/ou litorâneos (praias, dunas), influenciadas pelas oscilações do nível do mar desde o final das grandes glaciações mundiais do Pleistoceno. Inclui-se aí os depósitos de tálus e leques aluviais, que se interdigitam com as coberturas sedimentares litorâneas pleisto-holocênicas;
vi. Depósitos antropogênicos: são os aterros que as sucessivas ocupações humanas promoveram, desde os mais remotos sambaquis, até os grandes aterros promovidos na primeira metade do século XX, no processo de urbanização da região metropolitana do Rio de Janeiro.
25 3.1.1. Geologia da Cidade do Rio de Janeiro
Na região sul do município do Rio de Janeiro, há a ocorrência de unidades geológicas de idades que vão do mesoproterozóico até o quaternário, merecendo destaque as unidades Complexo Paraíba do Sul, a Suíte Rio de Janeiro (granitoides pré a sin-colisionais), enxames de diques de leucodiabásio, depósitos costeiros, incluindo depósitos de fluxos gravitacionais (Figura 3.3).
Figura 3.3 - Mapa geológico da região sul do município do Rio de Janeiro (CPRM, 2010).
As unidades geológicas mais expressivas são as seguintes:
i. Complexo Paraíba do Sul
CPRM (2001) identifica duas faixas principais de ocorrência do complexo. Na primeira, exposta nas regiões ocidental e norte do estado, com grande continuidade física, estendendo-se desde a divisa com São Paulo até o Espírito Santo, foram distinguidas três unidades informais: São Fidélis, Italva e Itaperuna. A outra faixa, em trabalhos anteriores designada de Lumiar - Rio Bonito, com prolongamentos no sentido de Campos, está situado na região da Serra do Mar e contém litótipos aqui agrupados na Unidade São Fidélis. Várias lentes menos expressivas encontram-se dispersas em meio a rochas ortognáissicas, charnockíticas e granitóides, sendo uma das mais notáveis a definida na região da cidade do Rio de Janeiro.
26 ii. Unidade São Fidélis
Representa a maior parte da área de ocorrência do Complexo Paraíba do Sul, sendo constituída por metassedimentos detríticos, pelito-grauvaqueanos: granada-biotita-(sillimanita) gnaisses quartzo-feldspáticos (metagrauvacas), com ocorrência generalizada de bolsões e veios de leucossomas graníticos derivados de fusão parcial in situ e injeções. Variedades portadoras de cordierita e sillimanita (kinzigitos), comumente apresentando horizontes de xistos grafitosos, exibem contatos transicionais com os granada-biotita gnaisses.
De ocorrência mais restrita, são observadas intercalações de quartzitos (qz), rochas metacarbonáticas e calcissilicáticas (ca), além de corpos de anfibolitos e concentrações manganesíferas. Em domínios menos deformados podem ser percebidas localmente estruturas de ressedimentação, decorrentes de fluxos turbidíticos (metaturbiditos). Os paragnaisses quartzo- feldspáticos são compostos predominantemente de quartzo, feldspato (plagioclásio) e biotita, com percentagens variadas de granada.
Os gnaisses aluminosos granatíferos e kinzigitos têm uma grande área de ocorrência ao longo da faixa que se estende próximo e paralelamente ao litoral (SILVA & FERRARI,1976). Faixas menores foram identificadas por MACHADO et al. (1983) entre Mangaratiba e Três Rios, a mais proeminente compondo parte da serra das Araras, onde se alteram para granitóides tipo S. Em alguns segmentos predominam gnaisses aluminosos com rochas calcissilicáticas e o registro esparso de quartzitos e rochas anfibolíticas. Por vezes são portadores de grafita (kinzigíticos) e derivados de sedimentos pelíticos/folhelhos e grauvacas (GROSSI SAD & DUTRA, 1988).
São rochas de cor cinza, granulação fina a média, com uma textura blastomilonítica a milonítica ao longo das zonas de cisalhamento. Os gnaisses estão manchados por porfiroclastos de feldspato e por abundantes cristais de granada. Grafita e sillimanita fibrosa ou prismática fazem parte da assembleia mineral, embora ocorram como constituintes menores. O quartzo é lenticular e a biotita é de uma variedade rica em titânio. Quando presente, o ortoclásio é mais abundante que a microclina, o plagioclásio tem a composição de oligoclásio e a magnetita é o principal mineral acessório.
iii. Suíte Rio de Janeiro
A Suíte Rio de Janeiro inclui granitóides foliados e ortognaisses, dominantemente peraluminosos, representados pelos granitos Pão de Açúcar, Corcovado e Cosme Velho. Ocupa a maior extensão da região metropolitana do Rio de Janeiro, estendendo-se daí por cerca de 20km na direção NE, com uma largura de cerca de 10km (SILVA, 1999).
27 Os granitos Pão de Açúcar e Corcovado foram originariamente interpretados e mapeados como paragnaisses (Gnaisses Facoidais) por HELMBOLD et al. (1965), sendo posteriormente relacionados ao Complexo São Fidélis-Pão de Açúcar (FONSECA et al., 1998). O caráter magmático dessas unidades havia sido previamente reconhecido em trabalhos de detalhe (SILVA
& SILVA, 1987; SILVA et al. 1991, HEILBRON et al., 1993). A essas fácies foram correlacionados o Plúton Niterói (MACHADO & DEMANGE, 1992) e o Granito Cosme Velho, designado de Leptinito por HELMBOLD et al. (1965).
O Granito Pão de Açúcar é uma fácies subordinada, tendo biotita, e localmente hornblenda, como principais acessórios. Bolsões e manchas irregulares, portadoras de ortopiroxênio, ocorrem em alguns domínios.
Apresentam texturas megaporfiríticas recristalizadas, com augen de K-feldspatos podendo atingir 5-10cm de comprimento médio. O único estudo químico disponível para a suíte, apresentado por MACHADO & DEMANGE (1992), classifica o Plúton Niterói como uma associação calcioalcalina, a qual deve corresponder à fácies Pão de Açúcar.
iv. Enxames de Diques de Leucodiabásio
São rochas de caráter básico constituídas de dois tipos petrográficos, o primeiro rico em cristais de plagioclásio cálcico, magnetita, clinopiroxênio e quartzo, e o segundo no qual também dominam cristais de plagioclásio, clinopiroxênio, porém com quartzo em menor proporção.
v. Depósitos Costeiros Flúvio-Marinhos
Na região costeira do Estado do Rio de Janeiro ocorre uma série de ambientes de sedimentação quaternária, associados a sistemas deposicionais de origem continental e transicional/marinho. Este conjunto faz contato, para o lado continental, com rochas do embasamento de diferentes litologias e idades, e para o lado oceânico com uma ampla plataforma continental constituída por uma sedimentação marinha quaternária, onde ocorrem depósitos relictos e modernos que repousam discordantemente sobre as unidades estratigráficas terciárias da Bacia de Campos.
O desenvolvimento desta planície costeira foi, em grande parte, guiado pelas direções estruturais do embasamento, que exerceram controle sobre a formação de baías e sobre a disposição dos remanescentes rochosos interiores às antigas baías que passaram a receber sedimentos provenientes das terras altas.
A parte interna da planície é marcada pelos vales de fundo plano, preenchidos por sedimentos fluviais grosseiros, que se intercalam com depósitos coluvionares de encosta, acumulados no
28 piemonte, compondo um amplo sistema de leques aluviais coalescentes que nas suas porções distais se interdigitam com sedimentos deltaicos, lagunares e marinhos.
3.1.2. Geologia da Área da Linha 4 Sul
Em 2010 a empresa Envirogeo, a pedido da Empresa Odebrecth, realizou um mapeamento geológico da região de instalação da Linha 4 Sul do Metrô do Rio de Janeiro, regiões trecho entre Ipanema, Leblon e Gávea, tendo como base aerofotos USAF, escala 1:60.000 de 1964 e mapas geológicos da Vila Militar e Baía de Guanabara do DNPM, escala 1:50.000 de 1965. Um dos produtos deste mapeamento foi o mapa geológico-estrutural Ipanema-Gávea na escala 1:10.000, apresentado na Figura 3.4, além de relatório contendo informações sobre os aspectos geológico- geotécnicos dos materiais investigados nesta campanha.
Figura 3.4 - Mapa geológico-estrutural da região da Linha 4 Sul do Metrô do Rio de Janeiro (Stein et al., 2010).
29 Segundo STEIN et al. (2010), na unidade São Fidelis, as melhores ocorrências do gnaisse kinzigito apresentam-se no flanco oriental do maciço da Tijuca, particularmente na Serra da Carioca.
Trata-se de um gnaisse leuco a mesocrático de coloração acinzentada e rosado, granulação grosseira, com porfiroblastos de até 2 cm de granada tipo almandina, mais raramente de cordierita, e com quantidades variáveis de quartzo, feldspato, biotita e sillimanita.
Já na escarpa norte do maciço da Tijuca foi observado o biotita-granada gnaisse, apresentando estrutura gnáissica típica, textura granolepidoblástica a lepidoblástica, granulação fina a média, cor variando de cinza claro a cinza escuro, granatífero e com diversas intercalações centimétricas a métricas de quartzito puro ou feldspático, de espessura variável. Em alguns pontos observaram feições migmáticas e estruturas deformacionais bem características do biotita-granada gnaisse.
O maciço Dois Irmãos é constituído predominantemente por rochas da Unidade São Fidelis, composto por biotita granada gnaisse migmatítico. A rocha apresenta textura gnáissica, com megacristais de quartzo, cristais de biotita e grafita encontrando-se foliados e apresentando bandas de granulação grossa contendo plagioclásio, quartzo e porfiroblastos de granada. A rocha apresenta poucas fraturas e em geral, é sã, ocasionalmente fraturada a pouco fraturada (STEIN et al., 2010).
Representando a Suíte Rio de Janeiro, STEIN et al. (2010) descrevem a ocorrência de gnaisse facoidal na borda do maciço Dois Irmãos e em pequenos plútons dispersos pela costa da cidade do Rio de Janeiro, tendo sido observado na Pedra do Baiano, onde o Shopping Leblon está localizado, no Largo da Memória, na Rua Bartolomeu Mitre e próximo ao canal Visconde de Albuquerque, na Avenida Ataulfo de Paiva. Este gnaisse foi denominado de biotita (granada) gnaisse granodiorítico. Contém megacristais de plagioclásio, microclima, ortoclásio e quartzo, matriz com cristais de plagioclásio, microclima e quartzo, além de biotita e granada.
Os enxames de diques de rochas básicas também observados por STEIN et al. (2012) na região da Universidade PUC-RJ, na Avenida Rodrigo Otávio (Praça Sibélius) e na Avenida Bartolomeu Mitre com a Avenida Visconde de Abulquerque (próximo ao Jockey Club do Brasil).
Estas rochas foram denominadas de leucodiabásio, tendo sido distinguidos dois tipos classificados como leucodiabásio I e leucodiabásio II.
O leucodiabásio I contém cristais de plagioclásio cálcico, magnetita, clinopiroxênio, quartzo e, como acessórios, biotita e clorita, podendo ocorrer hornblenda devido à processos de alteração.
O contato com o gnaisse facoidal foi descrito como sendo transicional. Já o leucodiabásio II é formado por cristais de plagioclásio, clinopiroxênio, quartzo em menor proporção, com acessórios minerais opacos, algumas vezes oxidados. Ocorrem fraturas sub-verticais anastomosadas com abertura de 1 a 2 mm e espaçamento médio de 10 mm, preenchidas por clorita e hidróxido de ferro.
