ESTADO DA ARTE DE INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS NA
ESCAVAÇÃO MANUAL E MECANIZADA DE TÚNEIS
Luis André Rios
Florianópolis 2019
Luis André Rios
ESTADO DA ARTE DE INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS NA ESCAVAÇÃO MANUAL E MECANIZADA DE TÚNEIS
Trabalho de Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia Civil do Centro Tecnológico da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a obtenção do Título de Engenheiro Civil.
Orientador: Prof. Dr. Marcos Aurélio Marques Noronha
Florianópolis 2019
ESTADO DA ARTE DE INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS NA ESCAVAÇÃO MANUAL E MECANIZADA DE TÚNEIS / Luis André Rios ;
orientador, Marcos Aurélio Marques Noronha, 2019. 92 p.
Trabalho de Conclusão de Curso (graduação)
-Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2019.
Inclui referências.
1. Engenharia Civil. 2. Engenharia de Túneis. 3. Inovações tecnológicas. 4. Microtúnel. 5. Tuneladora. I. Noronha, Marcos Aurélio Marques. II. Universidade Federal de Santa Catarina. Graduação em Engenharia Civil. III. Título.
Luis André Rios
ESTADO DA ARTE DE INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS NA ESCAVAÇÃO MANUAL E MECANIZADA DE TÚNEIS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para obtenção do Título de Engenheiro Civil e aprovado em sua forma final pelo Departamento de Engenharia Civil
da Universidade Federal de Santa Catarina.
Florianópolis, 24 de junho de 2019.
Prof. Luciana Rohde, Dr. ª Coordenadora do Curso
Banca Examinadora:
Prof. Marcos Aurélio Marques Noronha, Dr. Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina
Lidiani Cristina Pierri, Dr. ª BraBo Smart Power
Rafael dos Santos, Dr. BraBo Smart Power
Prof. Luciana Rohde, Dr. ª Universidade Federal de Santa Catarina
Este trabalho é dedicado aos meus colegas de classe e aos meus queridos pais.
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar agradeço aos meus pais, que sempre me apoiaram durante toda a trajetória longa que foi a faculdade, me dando todo o tipo de suporte necessário para enfrentar os desafios da melhor maneira possível e me tornar o melhor profissional da área que eu posso ser.
Também agradeço aos meus amigos e namorada que me ajudaram a manter a sanidade durante os momentos difíceis com prazos apertados e muitas provas para estudar, pois às vezes relaxar um pouco ajuda a melhorar o foco e rendimento quando voltamos aos trabalhos.
E principalmente agradeço ao meu orientador Professor Doutor Marcos Aurélio Marques Noronha, que me guiou durante esse ano de desenvolvimento dessa tese, dando ideias de pesquisa, fornecendo materiais para consulta, fazendo reuniões e passando seu conhecimento para que eu me incentivasse e me apaixonasse pelo tema a ponto de sempre querer buscar mais conhecimento na área para estar sempre me aprimorando.
RESUMO
A inovação sempre fez parte da engenhosidade humana com uma busca por aperfeiçoamento e métodos novos que podem substituir os anteriores agregando mais qualidade e segurança. Conforme foram crescendo as civilizações se viu necessário a expansão não só superficial, mas também subterrânea, surgindo assim as obras de túneis, sejam elas pequenas para a passagem de tubulações ou grandes para passagem de carros e ferrovias. Muitas vezes, principalmente em países com menor investimento em obras desse tipo, acaba-se optando pela solução mais comum e simples de ser realizada, o que nem sempre vai garantir a melhor segurança, eficiência e qualidade. Esse trabalho irá apresentar alguns métodos já consagrados na escavação de túneis pequenos em solo como a escavação manual, o pipejacking e o HDD, e irá apresentar novos métodos desenvolvidos pelo Dr. Rafael dos Santos e pela Dra. Pierri que consistem respectivamente em uma evolução da escavação manual e da tuneladora em rocha tradicional. O principal foco dessa nova metodologia de escavação é aumentar a segurança da obra tendo em vista que no método manual os operários ficam muito sujeitos a acidentes de desmoronamento, também podendo se reduzir o recalque, a cobertura necessária e agilizar o prazo de execução sem necessariamente elevar o custo. Além disso, serão analisados os métodos já muito consagrados de escavação de túneis maiores em rocha como principalmente as tuneladoras, que seguem sem muitas mudanças há algumas décadas e que já estão se tornando obsoletas, necessitando de inovações em um mercado bastante conservador. A inovação tecnológica proposta pelo Dr. Rafael dos Santos será apresentada em detalhes e consegue melhorar os métodos de corte incorporando dois mecanismos atuais em uma mesma máquina que não sofre dos problemas crônicos enfrentados pelas máquinas tuneladoras tradicionais, como o peso elevado, monopólio de produção e manutenção cara a ponto de chegar a custar mais do que a própria máquina. Assim, com a apresentação de tecnologias tradicionais e das inovações ora apresentadas pode-se notar a evolução natural que as metodologias de escavação tendem a ter, com uma consciência no futuro respeitando o meio ambiente e a segurança do operário, e garantindo uma maior qualidade e agilidade no processo que farão com que mais obras possam ser executadas com os poucos recursos disponíveis para aplicação nessa área.
ABSTRACT
Innovation has always been part of human ingenuity with a quest for perfection and new methods that can improve or replace the former methods by adding more quality and safety. As the civilizations grew, it was necessary not only to expand on the surface, but also underground, resulting in the construction of tunnels, whether small for the passage of pipes or large for passage of cars and railways. Often, especially in countries with less investment in constructions of this type, the simpler and more common solution is used, which will not always ensure the best safety, efficiency and quality. This work will present some methods already established in the excavation of small tunnels in soil such as manual excavation, pipejacking and HDD, and will present new methods developed by Dr. Rafael dos Santos and Dr. Pierri which consists of an evolution of the manual excavation and the traditional TBM. The main focus of this new digging methodology is to increase the safety of the worker since the manual method is very subject to collapse, also reducing settlements, the necessary coverage and speeding up the execution period without necessarily raising the cost. In addition, the already well-established methods of excavating larger rock tunnels, such as tunnel boring machines, will be analyzed. These machines, which have not changed much in the last few decades, are already becoming obsolete and require innovations in spite of a very conservative market. The technological innovation proposed by Dr. Rafael dos Santos will be presented in detail and can improve the cutting methods incorporating two current mechanisms in the same machine that does not suffer from the chronic problems faced by traditional tunneling machines, such as high weight, quasi-monopolistic production and expensive maintenance, with costs that can exceed the machine itself. Thus, with the presentation of traditional technologies and innovations, it is possible to notice the natural evolution that the excavation methodologies tend to have, respecting the environment and the safety of the worker, and guaranteeing a greater quality and agility in the process that will cause more works to be executed with the few resources available for application in that area.
Keywords: Innovation. Microtunnel. Tunnel boring machines.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Chapas metálicas corrugadas ... 18
Figura 2 - Frente de escavação manual com chapas corrugadas ... 18
Figura 3 - Sequência de escavação "Calota-rebaixo" ... 20
Figura 4 - Execução do Pipejacking ... 21
Figura 5 - Equipamentos de Pipejacking ... 22
Figura 6 – Etapas do HDD ... 23
Figura 7 - Alargador HDD ... 25
Figura 8 – Swivel ... 26
Figura 9 - Componentes do Shield Tracionado ... 28
Figura 10 - Placa metálica do Shield Tracionado ... 29
Figura 11 - Movimentação do Shield tracionado ... 29
Figura 12 - Emboque de túnel em solo... 30
Figura 13 - Perfuratriz para passagem dos cabos de aço ... 31
Figura 14 - Execução do Shield Tracionado ... 32
Figura 15 - Controle de deslocamentos interno... 35
Figura 16 - Modelo 3D ... 36
Figura 17 - Diferenças entre Seções ... 37
Figura 18 - Mecanismos de escavação de rochas ... 43
Figura 19 - Frente de escavação com Drill and Blast... 46
Figura 20 - Etapas Drill and Blast ... 47
Figura 21 - Equipamento para Drill and Blast ... 48
Figura 22 - Maquina escarificadora transversal ... 49
Figura 23 - Tipos de máquinas escarificadoras ... 50
Figura 24 - Máquina escarificadora axial ... 50
Figura 25 - Máquina tuneladora (TBM) ... 51
Figura 26 - Sistemas de uma tuneladora ... 53
Figura 27 - Sistema de remoção de uma TBM ... 54
Figura 28 - Gripper TBM ... 55
Figura 29 - Método de avanço da Gripper TBM ... 56
Figura 30 - Single Shield TBM ... 57
Figura 32 - Sistema de pressões da EPB TBM ... 60
Figura 33 - Tuneladora EPB ... 61
Figura 34 - Hidrodemolição em granito ... 63
Figura 35 - Mecanismo de corte com fio diamantado ... 65
Figura 36 - Tipos de Fio diamantado ... 66
Figura 37 - Exemplo de Fio diamantado ... 67
Figura 38 - Sapatas hidráulicas (esquerda) e colchões hidráulicos (direita) ... 69
Figura 39 - Dimensões da tuneladora à base de jato de água e fio diamantado ... 73
Figura 40 - Módulo de corte axial ... 74
Figura 41 - Sistema de tombamento de bloco de rocha ... 75
Figura 42 - Módulo suplementar ... 76
Figura 43 - Taxa de avanço das tuneladoras analisadas ... 78
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Orçamento para a escavação manual ... 39
Tabela 2 - Orçamento para o Shield Tracionado ... 40
Tabela 3 - Condições geológicas ... 77
Tabela 4 - Comparação entre métodos de escavação em solo ... 83
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
HDD – Perfuração horizontal direcional EPB – Pressão de equilíbrio do solo SB – Equilíbrio da lama
SICRO – Sistema de custos referenciais de obras
SINAPI – Sistema nacional de pesquisa de custos e índices da construção civil PEAD – Polietileno de alta densidade
PVC – Policloreto de vinila TBM – Tuneladora
PRODIP - Processo de Desenvolvimento Integrado de Produtos HD – Hidrodemolição
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 15
1.1 OBJETIVOS ... 16
1.1.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 16
2 TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DE MICROTÚNEIS EM SOLO ... 17
2.1 INTRODUÇÃO... 17
2.2 ESCAVAÇÃO MANUAL ... 17
2.3 PIPEJACKING ... 20
2.4 PERFURAÇÃO HORIZONTAL DIRECIONAL – HDD ... 23
3 SHIELD TRACIONADO ... 26 3.1 PROJETO CONCEITUAL ... 27 3.2 CONCEPÇÃO DO EQUIPAMENTO ... 27 3.2.1 COMPONENTES ... 27 3.2.2 PROCEDIMENTO EXECUTIVO ... 30 3.3 ESTUDO DE CASO ... 33 3.3.1 DADOS DE PROJETO... 34 3.3.2 ANÁLISE DE RECALQUES ... 35 3.4 ANÁLISE DE CUSTOS ... 38 3.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 41
4 TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DE TÚNEIS EM ROCHA ... 43
4.1 INTRODUÇÃO... 43
4.1.1 PRINCÍPIOS DO CORTE EM ROCHA ... 43
4.1.1.1 TENSÕES INDUZIDAS MECANICAMENTE... 44
4.1.1.2 TENSÕES INDUZIDAS TERMICAMENTE ... 44
4.1.1.3 TENSÕES INDUZIDAS POR FUSÃO E VAPORIZAÇÃO ... 44
4.1.1.4 TENSÕES INDUZIDAS POR REAÇÕES QUÍMICAS ... 45
4.3 ESCAVAÇÃO MECÂNICA COM ESCARIFICADORES ... 49
4.4 TUNELADORAS PARA ROCHA ... 51
4.4.1 TIPOS DE TUNELADORA ... 55
4.4.1.1 Gripper TBM ... 55 4.4.1.2 Shielded TBM ... 57 4.4.1.2.1Single Shield TBM ... 57 4.4.1.2.2Double Shield (telescopic shield) TBM ... 58 4.4.1.3 EPB (Earth Pressure Balance) TBM ... 59
4.5 HIDRODEMOLIÇÃO ... 62
4.6 FIO DIAMANTADO ... 64
5 TUNELADORA COM JATO DE ÁGUA E FIO DIAMANTADO ... 68 5.1.1 SOLUÇÕES PARA SUBFUNÇÕES ... 68
5.1.1.1 TRANSLAÇÃO DOS JATOS DE ÁGUA ... 68
5.1.1.2 AMPLIFICAÇÃO DO RAIO DE AÇÃO DOS BICOS ... 69
5.1.1.3 INTERAÇÃO DOS MÓDULOS COM O MACIÇO ROCHOSO ... 69
5.1.1.4 MOVIMENTAÇÃO ... 70
5.1.1.5 TOMBAMENTO DOS BLOCOS DE ROCHA ... 70
5.1.1.6 MOVIMENTAÇÃO DOS BLOCOS DE ROCHA ... 70
5.1.1.7 INSTALAÇÃO DE REFORÇOS ... 70
5.1.1.8 MOVIMENTAÇÃO DOS BICOS DE PROJEÇÃO DE CONCRETO ... 71
5.1.1.9 MOVIMENTAÇÃO DO MÓDULO SUPLEMENTAR ... 71
5.1.1.10 DRENAGEM DA FRENTE DE CORTE ... 71
5.1.1.11 FILTRAGEM DE RESÍDUOS ... 71
5.1.2 SELEÇÃO DAS CONCEPÇÕES ... 72
5.2 CONCEPÇÃO DO EQUIPAMENTO... 72
5.2.1 ANÁLISE DE DESEMPENHO ... 76
5.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 80
6 COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS APRESENTADOS ... 83 7 CONCLUSÃO ... 87 REFERÊNCIAS ... 89
1 INTRODUÇÃO
Com uma demanda de infraestrutura cada vez maior fica evidente a necessidade da expansão de obras de túneis, que podem ser aplicadas no setor de transportes, mineração, no fornecimento de energia elétrica, entre outros; já que elas fornecem um transporte seguro, rápido e discreto, dentre outras vantagens que serão citadas no trabalho (BROERE, 2015). Porém com o país em crise econômica os investimentos para esse tipo de obra são baixos, já que elas têm um custo relativamente alto e assim não é atendida a demanda que temos para esse tipo de obra, tendo que optar por soluções acima da superfície. Portanto se mostra extremamente necessário a realização de pesquisas para desenvolver técnicas novas que podem se apresentar mais seguras e economicamente acessíveis.
Poucas empresas dominam o setor de construção de túneis e através desse monopólio acabam não incentivando nem subsidiando pesquisas de métodos inovadores, dificultando assim o surgimento de novas ideias.
Nesse trabalho serão mostradas as técnicas convencionais na escavação de túneis que serão comparadas com duas técnicas inovadoras: O shield tracionado para túneis pequenos, simples e com construção manual ou semi-automatizada; e a tuneladora de corte de rocha com jato d’agua e fio diamantado para túneis grandes e com construção mecanizada, duas de várias ideias inovadoras que podem aumentar a eficiência da escavação de túneis e ameaçar o domínio dos métodos convencionais.
Quando falamos em túneis estamos tratando de obras em rocha ou em solo, que são meios heterogêneos por natureza e que mudam muito de região para região. Não existe um método universal para a construção dessas obras, e cada caso tem que ser analisado detalhadamente para se encontrar a solução adequada para aquele projeto. Tendo em vista isso, será apresentado um comparativo entre os métodos convencionais e os métodos inovadores mostrados, visando estabelecer os pontos fortes de cada um, e as situações onde cada um deles pode ser melhor aplicada. O objetivo colateral desses métodos inovadores é tornar todo o processo do projeto a obra mais eficiente, seguro e com o custo reduzido, proporcionando uma facilidade maior nas licitações, na liberação de verba e consequentemente aumentando o número desses tipos de obras, o que causaria um grande impacto positivo para toda a população.
1.1 OBJETIVOS
O objetivo geral desse trabalho é apresentar as tecnologias atuais para a escavação de túneis usadas no Brasil, tanto mecanizadas como manuais, e as novidades tecnológicas inovadoras para modernizar essas técnicas que já estão bem estabelecidas, mas não atendem à demanda, mostrando as vantagens e desvantagens de cada técnica e a situação onde cada uma delas pode ser melhor aplicada.
1.1.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Analisar os métodos tradicionais já consagrados na escavação de túneis; • Expor e analisar métodos novos;
• Analisar as técnicas antigas com as novas, tanto no quesito de custos, facilidade de execução, quanto na segurança da mesma;
2 TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DE MICROTÚNEIS EM SOLO
2.1 INTRODUÇÃO
Desde que se tem registro das civilizações mais antigas já se sabe que elas realizavam obras subterrâneas, seja para abrigos ou passagens, sendo essas obras feitas de maneira mais manual e com instrumentos simples. Com o avanço da tecnologia e principalmente após a revolução industrial foram criados processos novos para a execução desse tipo de obra, facilitando sua realização e possibilitando um aumento na quantidade e variedade de túneis diferentes.
Com a crescente urbanização das metrópoles foi tendo-se mais necessidade de um meio de transporte subterrâneo, o metrô, incentivando ainda mais as pesquisas por esse tipo de obra, além de todos os outros usos como para drenagem ou em obras rodoviárias e ferroviárias fora do centro urbano.
O presente estudo apresenta nessa sessão algumas técnicas de escavação de túneis pequenos em solo com métodos não destrutíveis, sendo elas a escavação manual, pipejacking e a perfuração horizontal direcional – HDD. Esses métodos são caracterizados por causar o menor impacto possível na superfície e no entorno do local da obra. A seguir serão detalhadas melhor cada um desses métodos de se realizar um túnel e serão comparados suas vantagens e desvantagens e onde cada um pode ser melhor empregado.
2.2 ESCAVAÇÃO MANUAL
É o método mais simples e antigo da construção de túneis, consiste no uso de ferramentas convencionais e mão de obra braçal onde a escavação é realizada por etapas consistindo da remoção do solo manualmente e da colocação de um material de sustentação para conter e evitar o colapso do terreno. No Brasil, a técnica manual mais difundida denomina-se Túnel Liner.
O Túnel Liner é um sistema não destrutivo composto por chapas de aço corrugado que permite a construção de túneis de pequena e média dimensões (entre 1,20 m e 5,00 m) sem interferir na superfície do terreno. Esse método é indicado para uso em áreas urbanas ou rodovias movimentadas já que pode ser aplicado sem causar inconveniências no trânsito que está circulando por cima do local da obra de escavação. Como exemplos de uso pode-se citar
redes de esgotos, passagens de veículos e pedestres e passagens de cabos de telefonia e energia.
Figura 1 - Chapas metálicas corrugadas
Fonte: CanadaCulvert, 2014.
As chapas identificadas na Figura 1 são de fácil manuseio e vão sendo montadas progressivamente com a construção, em avanços de aproximadamente 50cm, que é a largura da placa. Para garantir a segurança dos operários deve-se proteger a frente de escavação para que não ocorra nenhum desmoronamento durante a etapa de escavação.
Figura 2 - Frente de escavação manual com chapas corrugadas
Previamente à execução da obra e ao projeto do túnel são feitas sondagens em campo e ensaios laboratoriais para analisar o solo. Então é dimensionado a espessura das chapas por meio de tabelas padrões ou por métodos numéricos e analíticos calculando o empuxo do maciço.
Após se ter todos os detalhes do solo onde a obra vai ser feita e o projeto completo, se começa a execução. Dividindo em etapas, a execução inicia com a limpeza do local onde ficará o túnel, abertura de poços de ataque, esgotamento dos poços, locação, escavação, remoção do material escavado, montagem das chapas, injeção de solo-cimento, acompanhamento topográfico, e controle de recalque (STACO, 2015).
No projeto dos poços de ataque, que irão auxiliar na escavação do micro túnel, deve-se considerar o deve-seu tamanho levando em conta que os operários irão entrar ali e precisam de espaço para se mexer e deslocar os equipamentos, por isso eles normalmente tem o diâmetro com um valor duas vezes maior do que o do túnel principal. Pensando na segurança, essas frentes de ataque também precisam ser revestidas para evitar o desmoronamento e o ferimento dos colaboradores, revestimento tal que muitas vezes utiliza o mesmo material corrugado do micro túnel principal, apenas com uma espessura própria dimensionada para o seu uso específico. Dependendo do nível do lençol freático no local pode-se escavar um reservatório e instalar uma bomba de sucção no fundo do poço caso seja considerado necessário nas sondagens e no projeto.
O procedimento básico para a locação das chapas de fundo consiste no uso de piquetes para alinhar o centro e nivelar a mesmas, respeitando a declividade e o traçado geométrico que foram definidos na etapa de projeto. Deve-se procurar manter a execução a mais próxima dele possível, porém realizando ajustes quando necessário para situações não previstas anteriormente ou que não foram detectadas pela sondagem.
Na etapa da implantação se inicia a escavação principal da obra. Quando o diâmetro do túnel for superior a 1,8 m utilizasse a técnica de “Calota-rebaixo” como indicado na Figura 3, onde se escava primeiro a metade superior da abertura e se instala o conjunto de chapas nessa região e somente após essa etapa concluída é feita a escavação e instalação das chapas na região inferior do túnel. Essa escavação deve sempre ocorrer da maneira mais rente possível às bordas externas da circunferência e com a espessura ligeiramente maior do que o tamanho das placas, geralmente de 46 a 50cm.
Figura 3 - Sequência de escavação "Calota-rebaixo"
Fonte: Pierri, 2017
As emendas entre as chapas são fixadas por porcas e parafusos, e após a montagem de algumas placas se utiliza um material que tenha boa resistência à compressão nos espaços vazios entre as peças e o maciço, sendo injetado com pressão controlada até eliminar de vez esses espaços, deixando tudo entre as chapas e o solo preenchido, evitando assim recalques excessivos no futuro.
2.3 PIPEJACKING
O pipejacking (tubos cravados) é um método não destrutivo que consiste em tubulações empurradas e tem sido muito usado nos últimos anos para obras subterrâneas em cidades, principalmente na instalação de infraestruturas municipais, como, redes de esgoto, drenagem, oleodutos e canalizações (CHENG, 2015).
Nesse método se usam macacos hidráulicos fortes para empurrar a tubulação, que é dimensionada para cada obra, ao mesmo tempo em que a escavação avança na frente com uma tuneladora. Não há limite teórico para o comprimento do túnel, podendo ser feitos tanto obras pequenas e retilíneas quanto mais longas e com curvaturas.
O Pipejacking garante uma boa integridade do túnel, curto período de construção, baixo impacto ambiental e baixa manutenção (ZHEN, 2014). Para garantirmos um bom desempenho e segurança tanto no uso como na fase de obra é muito importante dimensionar as forças necessárias na hora da instalação, ou seja, deve-se dimensionar o macaco hidráulico, equipamento que irá empurrar a tubulação. A área de contato do material com o solo é um local de grande concentração de tensões e deve-se evitar que os tubos e juntas sejam danificados.
A determinação precisa das forças envolvidas é muito difícil, por esse motivo o Pipejacking é considerado um método complexo. Dentre os vários fatores que irão afetar as forças presentes nos cilindros pode-se citar as mais importantes para o dimensionamento adequado: a resistência na face da escavação; a quantidade de sobrecarga durante a escavação; a variação das condições do solo ao longo da escavação; desalinhamentos dos tubos; a rugosidade das superfícies dos tubos; a utilização de estações intermediárias de cilindros hidráulicos; as possíveis mudanças nas características do solo devido às cargas dinâmicas e vibrações causadas pelo próprio equipamento de escavação, como, por exemplo, a densificação de solos arenosos (LI et al., 2017).
Para se instalar uma tubulação com esse método são criados poços de pressão e de recepção ao longo da linha que o túnel irá seguir, os quais tem seu diâmetro variável em função da necessidade de algum equipamento específico ou por necessidade econômica. Um muro de contenção é criado para proporcionar um apoio ao macaco para que ele consiga empurrar as tubulações pelo solo. Após escavar esses poços e preparar o local, os equipamentos necessários são colocados lá dentro e a tubulação vai sendo empurrada em etapas, juntando as peças para formar um conjunto contínuo como mostrado na Figura 4. Esse procedimento é feito até se chegar no segundo poço construído, o poço de recepção.
Figura 4 - Execução do Pipejacking
Durante o trabalho do sistema hidráulico é feita a escavação e retirada do material escavado, que pode ser com dois equipamentos distintos apresentados na Figura 5. Primeiro temos o Earth Pressure Balance (EPB), o qual transporta o solo escavado de maneira direta através de uma rosca sem fim. Já o segundo equipamento mostrado é o Slurry Balance (SB), no qual o solo escavado é misturado com um fluido injetado na região de corte, transformando ele em uma pasta que é então transportada para a superfície, possibilitando assim que sejam feitas escavações em solos moles ou abaixo do nível do lençol freático sem causar problemas aos arredores.
Figura 5 - Equipamentos de Pipejacking
Fonte: Terratec, 2017
A distância entre os poços de pressão e de recepção varia de acordo com o solo local e a capacidade da máquina que se está usando, podendo se fazer necessário o uso de estações intermediárias. Com o objetivo de aumentar a distância entre os poços, podem ser incluídas estações intermediárias que consistem de vários cilindros hidráulicos uniformemente distribuídos em torno de duas extremidades de tubos especiais que possuem um anel-guia de aço. Esses cilindros fazem uma força contra a tubulação que já está montada e podem ser recuperados posteriormente.
2.4 PERFURAÇÃO HORIZONTAL DIRECIONAL – HDD
A Perfuração Horizontal Direcional (HDD, Horizontal Directional Drilling) é uma técnica relativamente nova que foi desenvolvida nos Estados Unidos da América entre as décadas de 60 e 70, que consiste na instalação de dutos através de um processo não destrutivo, utilizando um conjunto de equipamentos e ferramentas. A HDD é muito utilizada para implantar tubulações de telecomunicação, eletricidade, gasodutos, água e esgoto, entre outras. Sua maior vantagem é a alta flexibilidade e possibilidade de se trabalhar sem interromper a circulação na superfície do local por onde os dutos estão passando. Porém, ainda se tem uma baixa aplicação no Brasil devido ao custo maior comparado a abertura de valas.
A operação padrão de uma Perfuração Direcional Horizontal pode ser dividida em três etapas principais (KEBOS, 2016):
• 1ª fase - Perfuração (Furo Piloto)
• 2ª fase - Alargamento (Limpeza do furo) • 3ª fase – Instalação do produto (Duto) A Figura 6 ilustra estas três etapas.
Figura 6 – Etapas do HDD
Na primeira fase é executado o furo piloto, um furo de diâmetro menor que irá guiar o local da escavação e possibilitar as próximas etapas. Este furo geralmente é feito com um ângulo de 8º a 20º graus com a horizontal, seguindo com essa inclinação até chegar na profundidade desejada que então segue na horizontal, voltando a subir quando estiver perto do local de saída pré-estabelecido, como pode-se observar na Figura 6.
Para a realização desse furo inicial se utiliza uma broca de perfuração com um sensor instalado em sua cabeça, que envia informações para um receptor para que seja feita a escavação com precisão. Os sistemas mais modernos utilizam o campo magnético e gravidade existente no solo, transmitindo sinais através de cabos inseridos no interior das hastes de perfuração até a cabine de controle, que tem um receptor com programa especifico para executar a leitura dos dados de navegação deste equipamento (KEBOS, 2016).
Para fins de estabilização do furo e da melhor lubrificação da parede da tubulação a ser empurrada, utiliza-se um fluido de perfuração composto normalmente por água, bentonita e polímeros, que é bombeado até o bico da broca onde sai em alta pressão, deslocando parte do solo.
Na segunda fase é executado o alargamento do furo piloto, como é mostrado na Figura 7. Para isso é colocado uma broca com diâmetro maior (alargador – reamer em inglês) do que a inicial e começa-se o processo de alargar o furo inicial. Dependendo do diâmetro final desejado, podem ser necessárias várias etapas de alargamento. Enquanto que para solos moles são usados alargadores do tipo tambor, para solos médios usa-se cortadores, e para solos duros, como em rochas, são usados alargadores tricônicos. A estabilidade do túnel é assegurada pela pressão hidrostática causada pela utilização do fluido de perfuração.
Figura 7 - Alargador HDD
Fonte: Epiroc, 2019
O alargador é puxado girando com jato em alta pressão do fluido de perfuração até que se atinja o diâmetro necessário, normalmente em torno de 1,2 a 1,5 vezes maior do que a peça que será instalada, porém pode ser ajustado dependendo das condições do solo (ROYAL, 2010). Esse diâmetro ligeiramente maior da escavação serve para reduzir o atrito na etapa seguinte e para diminuir as tensões de flexão nas regiões de entrada e saída da tubulação.
Na terceira fase é executada a instalação do duto, o que acontece simultaneamente à última passada do alargador na segunda fase. Para se evitar um excesso de atrito, além do diâmetro maior já escavado também pode-se colocar roletes para facilitar a execução.
Durante a instalação da tubulação, a coluna que está sendo puxada é conectada a coluna de perfuração por meio de um “Swivel” (Figura 8), que evita que haja rolamento do duto, mantendo ele sempre alinhado e também paralisa o puxamento caso o limite de força pré-calculado venha a ser ultrapassado.
Figura 8 – Swivel
Fonte: DCD Design, 2010
3 SHIELD TRACIONADO
A seguir será apresentado um novo método de escavação de microtúneis em solo desenvolvido pela Dra. Lidiani Cristina Pierri em sua tese de doutorado na UFSC. Para se desenvolver um novo produto é necessário analisar a demanda, a produção e o seu uso, para assim chegar num resultado que irá atender às necessidades dos clientes. O método utilizado nessa tese foi o Processo de Desenvolvimento Integrado de Produtos (PRODIP) o qual possui 9 fases divididas em 3 macrofases: planejamento, projetação e implementação (BACK, et al. 2008).
Na etapa de planejamento são elaborados planos iniciais para orientar o desenvolvimento do produto nas próximas fases. Na etapa da projetação tem-se todo o desenvolvimento do produto, composto pelas fases de projeto informacional, conceitual, preliminar e detalhado, seguindo nessa ordem de complexidade de um projeto mais simples, com várias alternativas, até um projeto mais detalhado com a alternativa mais viável. Na etapa da implementação são colocados na prática os conceitos desenvolvidos testando-os fora do papel.
Tendo em vista que já se havia uma proposta bem definida, não foi abordada a etapa de planejamento, somente a etapa de projetação, mais especificamente os projetos informacional e conceitual, ficando para futuros trabalhos o desenvolvimento detalhado e a etapa de implementação.
3.1 PROJETO CONCEITUAL
Na etapa de projeto conceitual foi estabelecida a concepção final do equipamento, realizando diversas atividades para definir a sua função global e subfunções. Foi nessa etapa que se identificou as entradas e saídas de fluxo de energia, matéria e informações dos sistemas envolvidos. O objetivo era desenvolver um equipamento para escavar e revestir microtúnel em solo no qual as entradas fossem a energia, informação, solo, placas de revestimento e grout; e a saída fosse informação, resíduos de solo e o microtúnel em si.
A estrutura de funções desenvolvida envolve quatro etapas, a primeira dela é a pré-operação, com todas as atividades de implantação e mobilização necessárias. A segunda é a operação, que envolve o processo de escavar, remover o material e executar a contenção do túnel. A terceira é a pós-operação, onde ocorre a desmontagem dos equipamentos e uma eventual reciclagem. Por fim, temos a etapa de controle, que está presente em todas as outras para avaliar as informações recebidas e analisar caso o que está sendo feito deve continuar ou não.
Ao longo do desenvolvimento foram propostas várias soluções e para se tomar uma decisão e escolher a melhor alternativa utilizou-se a metodologia de seleção com uma matriz morfológica e uma seleção qualitativa e quantitativa. Por fim, após várias análises e comparações se chegou à proposta final que será desenvolvida com detalhes a seguir.
3.2 CONCEPÇÃO DO EQUIPAMENTO
Conforme a seleção da melhor proposta realizada no tópico anterior, o equipamento será composto por um conjunto de couraça e placa de avanço, escavação manual e mecanizada, remoção de resíduos através de vagão e transporte por caminhão basculante. A seguir serão detalhados os principais componentes e o procedimento executivo desse método.
3.2.1 COMPONENTES
Como está sendo mostrado na Figura 9 a seguir, o método é composto por uma couraça e uma placa metálica que são ligados através de cabos de aço, cujo comprimento varia em função da necessidade para o micro túnel que está sendo escavado no momento.
Figura 9 - Componentes do Shield Tracionado
Fonte: Pierri, 2018
A couraça irá fornecer suporte para o solo durante a escavação, evitando desmoronamentos que iriam comprometer a integridade estrutural do local e aumentando a segurança para os operários. Ela é composta de 8 chapas metálicas que são soldadas em formato próximo ao lenticular, ou seja, consegue atingir um nível mínimo de material de preenchimento. Como pode ser observado na Figura 9, a couraça possui chapas na região frontal para proteger contra uma desestabilização do solo e também permitir a escavação parcial da frente de ataque, além de vigas na parte superior para aumentar sua resistência e olhais para o acoplamento dos cabos que serão conectados posteriormente à placa metálica.
A placa metálica é uma chapa de aço com armação móvel que fica no lado oposto ao da couraça e terá como função tracionar os cabos de aço para fazê-la se movimentar e assim ir avançando a escavação do túnel. A placa é reforçada por vigas e possui suportes verticais na parte anterior para evitar o seu tombamento. As peças que irão fazer o movimento de tracionamento dos cabos são os cilindros de expansão, que irão movimentar para trás o anel móvel indicado na Figura 10 enquanto a chapa metálica fica pressionada no solo, fazendo com que os cabos sejam puxados juntos e a couraça se movimente na direção da chapa, como pode ser visto melhor na Figura 11.
Figura 10 - Placa metálica do Shield Tracionado
Fonte: Pierri, 2018
Figura 11 - Movimentação do Shield tracionado
Fonte: Pierri, 2018
Foi desenvolvido esse conceito de equipamento sempre buscando atender às necessidades de projeto impostas anteriormente, para garantir que se atinja o objetivo de uma
técnica simples, prática e monetariamente viável de se aplicar, mas que também apresente uma segurança maior do que os métodos convencionais para os operários. A seguir será explicado como o método funciona através do seu procedimento executivo.
3.2.2 PROCEDIMENTO EXECUTIVO
A primeira etapa de construção começa na pré-operação com a implantação do canteiro de obra, que deve seguir a Norma Regulamentadora 18 (MINISTÉRIO DO TRABALHO, 2019), a qual estabelece diretrizes para se implantar sistemas de controle e preventivos para garantir a segurança e boas condições de trabalho na obra. Segundo essa norma, a área de trabalho deve ser previamente limpa, escorando-se objetos que podem apresentar um risco de queda ou que comprometam a integridade estrutural do solo local, podendo causar um desmoronamento e assim colocar em risco a vida dos operários. O canteiro também deve possuir sinalização de advertência e barreiras durante todo o estágio da obra para evitar que pessoas desavisadas sofram acidentes ao passar pelo local.
Figura 12 - Emboque de túnel em solo
Após serem tomadas as precauções iniciais dispostas na NR 18 começa-se efetivamente a obra, com a realização dos emboques e, caso seja necessário, a construção de poços de ataque. Depois dos emboques e poços já serem executados é importante alinhar as duas peças principais desse método, a couraça e a placa metálica. Para isso são feitos quatro furos horizontais com uma máquina perfuratriz, por onde irão passar os cabos de aço que ligam essas duas peças. Ao longo da perfuração também é feito uma investigação do solo para saber se há alguma falha e o que os operários irão encontrar no processo de escavação.
Caso não seja possível realizar os emboques de maneira normal, pode-se avaliar a necessidade de executar poços de ataque primeiro para depois começar a perfuração, o alinhamento e instalação da couraça e placa metálica. Depois da perfuração ser realizada e antes de se passarem os cabos de aço, são colocadas tubulações nos furos para isolar a interação entre o maciço e os cabos.
Figura 13 - Perfuratriz para passagem dos cabos de aço
Fonte: Pierri, 2018
Quando todas essas operações de instalação são concluídas dá-se início a escavação do túnel propriamente dita, com a expansão dos cilindros na placa metálica que irão puxar a couraça na sua direção como já foi mostrado anteriormente na Figura 11. A partir do
momento que a couraça entra no solo se inicia a escavação de maneira manual ou mecanizada com uma mini escavadeira, dependendo da necessidade e disponibilidade local. Assim a couraça serve como uma proteção para os trabalhadores no local.
Logo após a escavação do solo que está na couraça é feita a instalação do revestimento permanente, com montagem manual em chapas metálicas corrugadas ainda dentro do revestimento deslizante. Conforme os cabos vão sendo tracionados e a couraça vai se movimentando, as chapas metálicas corrugadas começam a entrar em contato com o solo, nesse momento é necessário se fazer uma injeção com material de preenchimento fluido, ligeiramente expansível e com boa resistência a compressão, para evitar que ocorram recalques não previstos e indesejáveis. O controle de qualidade dessa etapa é feito de maneira bem manual, se checando através de som oco para verificar a existência de vazios, que deverá ser corrigida com uma injeção extra do mesmo material. Caso seja necessário aumentar a estanqueidade das chapas pode-se inserir uma camada de espuma ou feltro entre elas.
Figura 14 - Execução do Shield Tracionado
Conforme se realiza essas etapas descritas deve-se, de maneira simultânea, remover os resíduos do local. Isso ocorre através de vagões que deslizam por trilhos instalados temporariamente para facilitar o seu uso. Do lado de fora do túnel fica um caminhão basculante para recolher os resíduos trazidos pelos vagões e leva-los para um destino adequado. Todo esse processo se caracteriza em um ciclo; tracionar a couraça, escavar, executar o revestimento, retirar os resíduos; e isso vai se repetindo até se escavar o túnel por completo, com a couraça chegando do mesmo lado da placa metálica. Nesse momento se dá início ao descomissionamento dos equipamentos com desmontagem manual.
Durante todo o andamento da obra deverá ser realizado um processo de controle pela equipe de topografia, para caso haja alguma divergência em uma atividade ela possa ser corrigida o mais rápido possível. Além disso, o ideal seria realizar um acompanhamento dos recalques, monitorando durante toda a execução da obra.
Na etapa de perfuração podem ser encontrados fragmentos de rocha no solo como matacões, nessa situação a couraça não conseguiria avançar, portanto é necessário remover esses pedaços de rocha de alguma outra maneira antes de continuar com esse método proposto. A remoção dessas inconsistências no solo pode se dar de diversas formas como por exemplo através de jato d`água em alta pressão, um método que permite o corte de maneira suave e controlada.
3.3 ESTUDO DE CASO
Nos tópicos anteriores foi mostrado o desenvolvimento conceitual do projeto, seus componentes em detalhes e todo o procedimento executivo do método. Agora será apresentado um estudo de caso feito pela autora do projeto aplicando a técnica nova, para demonstrar e validar a sua eficácia frente a escavação manual tradicional. Tal estudo de caso foi feito sobre a análise de um projeto a ser construído em Biguaçu, cidade próxima a Florianópolis em Santa Catarina.
A obra consiste da ampliação da macrodrenagem na região por um microtúnel sobre a BR-101 para a passagem do Rio Carolina, para assim reduzir os constantes alagamentos que ocorrem na região devido à drenagem ser insuficiente. A proposta inicial era de se construir dois microtúneis menores com 2,20 m de diâmetro e comprimento de 50 m, mas foi otimizada para apenas um microtúnel com formato lenticular possuindo 4,45 m de largura e 3,41 m de altura e com o mesmo comprimento original.
Após uma análise inicial do solo local notou-se que o cobrimento era baixo, de apenas 1,5m na pior das situações, e isso poderia provocar um risco de colapso devido ao fluxo intenso de carros e caminhões pelo local, além de impossibilitar alguns tipos de tratamentos de reforço devido à passagem de tubulações de gás nas proximidades. Para combater isso foi decidido se usar enfilagens tubulares como técnica especial de reforço, introduzindo tubos metálicos e injetando calda de cimento para aumentar a estabilidade local do maciço. Porém, através da utilização do Shield Tracionado pode-se chegar à conclusão de que o nível de segurança nessas condições é bem maior do que o dos métodos tradicionais, já que possui um escudo (couraça) para proteger os operários durante a escavação e por isso poderia até não precisar desse reforço por enfilagens tubulares caso fosse feito uma análise mais aprofundada.
3.3.1 DADOS DE PROJETO
O projeto inicial previa o uso de escavação manual e de muro de gabião para se estabilizar os emboques, utilizando um avanço cuidadoso e monitoramento de deslocamentos ao longo de toda a obra. A nova solução proposta pela Dra. Lidiani Pierri envolve a troca da escavação manual pela escavação semi-mecanizada do Shield Tracionado.
Como mencionado anteriormente e exposto melhor na Figura 15, o túnel terá um formato lenticular com 4,45 m de largura por 3,41 m de altura, e comprimento de 50 m. Foi definido um avanço diário entre 0,5m a 1m e que a medição de deslocamentos seja feita de maneira manual interna e externa, utilizando se da topografia e de pinos colocados nas posições indicadas pela Figura 15, onde deve-se manter as mesmas proporções e distâncias ao longo de todo o túnel.
Figura 15 - Controle de deslocamentos interno
Fonte: Pierri, 2017
As medições de recalques devem acontecer de maneira diária e devem ser anotadas em planilha para se ter um controle preciso da segurança da obra. Caso seja notado que os recalques estão sendo excessivos deve-se tomar as medidas cabíveis necessárias, como o melhoramento do maciço que já foi mencionado anteriormente, para garantir a integridade do local e não causar nenhum dano à estrutura nova que está sendo instalada, ao solo do local, ou principalmente à rodovia por onde trafegam milhares de pessoas por dia.
3.3.2 ANÁLISE DE RECALQUES
A obra a ser realizada irá gerar uma mudança no estado de tensões do solo local, o que poderia provocar diversas situações indesejadas e até mesmo perigosas com os recalques excessivos, tendo em vista que o túnel está passando por baixo de uma rodovia com bastante tráfego e um desnível pode aumentar o número de acidentes no local e em situações mais graves poderia até ser necessária a interdição da via por um colapso. Para se evitar isso tem de ser feito com antecedência a análise de recalques do solo local, através de estudos detalhados
de cada caso considerando o tipo de solo, suas propriedades e também o método construtivo que será utilizado.
O estudo da Dra. Lidiani Pierri considerou duas alternativas de construção: a escavação manual e a escavação semi-mecanizada do Shield Tracionado, podendo assim comparar diretamente as duas para decidir se essa técnica nova é vantajosa. Para tal feito foi utilizado o software de elementos finitos MIDAS/GTS.
Os modelos utilizados possuíam mais de 70.000 elementos na modelagem 3D, o que ajudou a proporcionar resultados com alta precisão. A simulação se deu de forma sequencial com a escavação e aplicação do revestimento sendo feitas em ciclos de 1m. Os modelos criados tentaram representar com fidelidade a situação real do local, contendo as pistas por onde trafegam os veículos e as galerias já existentes, como pode ser observado na Figura 16 a seguir.
Figura 16 - Modelo 3D
Fonte: Pierri, 2018
O projeto original proposto já tinha informações obtidas de sondagens, que foram necessárias para a modelagem em elementos finitos. O solo local era dividido basicamente em 3 camadas: argila mole, com aproximadamente 1,50 m de espessura; argila média (região por onde passará o microtúnel), com espessura de aproximadamente 5,35 m e por fim solo compacto, com espessura de aproximadamente 2,50 m.
Os dois métodos analisados se diferem pelo procedimento de escavação, pela aplicação do revestimento e pela forma da seção transversal. Com a escavação manual a seção escavada tem o formato final de quando será aplicado o revestimento em placas corrugadas, já com o método do Shield Tracionado a seção precisa ser um pouco maior devido ao formato da couraça que será tracionada, e entre o espaço das placas corrugadas e da borda da seção escavada será aplicado argamassa de cimento conforme explicado em detalhes anteriormente (Figura 17). A diferença entre as áreas escavadas é de aproximadamente 13,29%, com uma área extra de 1,61m² que será preenchida. Durante a execução o transito local não será interrompido, portanto é importante considerar a carga que estará presente nas rodovias, que nesse caso foi adotada como sendo 25 kN/m².
Figura 17 - Diferenças entre Seções
Fonte: Pierri, 2018
No modelo de Escavação Manual foram considerados avanços de 0,5 em 0,5 m para simular as condições reais de execução, e o valor máximo encontrado para o deslocamento vertical foi de 0,03 m, ou 3 cm. Ao longo do túnel foram observados deslocamentos positivos e negativos, esse primeiro se concentrando na base da escavação e ocorrendo devido a uma tendência de flutuação pela alta pressão do maciço que tende a empurrar o túnel para cima
(PIERRI, 2018). Já a pressão negativa ocorre na face superior do túnel devido à pressão exercida pela rodovia que passa na superfície.
No modelo de Escavação com o Shield Tracionado foi considerada a escavação apenas dentro da couraça, com a aplicação de revestimento e preenchimento feita imediatamente, nunca deixando o solo escavado exposto. Devido a esse método executivo que não deixa o solo escavado exposto sem revestimento os níveis de recalques máximos foram bem menores, chegando a um valor de 0,0045 m ou 0,45 cm. Essa redução de recalques representa um aumento na segurança da obra, tanto na fase de escavação para os operários quanto na fase de operação posterior.
Após essa análise de recalques foi feita uma análise da movimentação da couraça, já que esse passo é essencial para todo o funcionamento método e é importante analisar os esforços e impactos que o tracionamento dessa peça irão gerar no ambiente ao seu entorno, da mesma forma que será feita a análise da placa metálica apoiada no lado oposto do túnel.
Nessa análise foram aplicadas forças em quatro pontos específicos, nos locais onde serão fixados os cabos de aço usados para o tracionamento, com uma força inicial de 50 kN em cada um que foi sendo aumentada até chegar em uma intensidade onde não ocorreria convergência de resultados, situação na qual ocorreria um grande deslocamento da couraça possibilitando a execução do método. O valor encontrado para essa situação foi de 350kN aplicados em cada um dos quatro pontos dos cabos.
Após serem feitas as análises computacionais desse efeito mencionado foi concluído que ele não causa efeitos significativos nos recalques no solo, chegando a um valor máximo de 0,005 m ou 0,5 cm, podendo-se considerar o sistema como bastante seguro.
3.4 ANÁLISE DE CUSTOS
Para se avaliar com uma maior precisão os custos totais de uma obra deve-se analisar os custos diretos, custos indiretos, custos de pré e pós-construção e os custos sociais (PIERRI, 2018). Os custos diretos são os que dizem respeito à execução da obra em si, como os materiais usados, equipamentos alugados ou comprados e mão de obra no local. Os custos indiretos são dos serviços que dão apoio à obra, como os custos da equipe de escritório, projetos e supervisão (NAJAFI, 2016). Os custos de pré-construção, como o próprio nome já diz, são os custos necessários antes de se iniciar a construção, como a aquisição de terras, pesquisas geotécnicas, licenças e alvarás, consultorias e diversas outras atividades que
ocorrem antes da execução. Já os custos de pós-construção são os que ocorrem após a construção já ter sido concluída, como a manutenção e operação.
Os custos sociais são os que podem gerar um impacto e afetar a vida dos moradores locais ou pessoas que passam por ali, como a interrupção do tráfego, barulho, poeira, riscos à segurança, entre diversos outros. Para compor o custo total da obra deve-se incorporar todos esses diferentes tipos de custos para assim chegar a um preço final e analisar a viabilidade dela.
Para esse caso específico apresentado serão analisados apenas os custos diretos e indiretos através de tabelas do SINAPI/SC e SICRO/SC para simplificar e poder comparar o novo método executivo proposto com o método manual. Como ambos os métodos de execução são parecidos muitos dos seus custos vão ser semelhantes, como a implantação e limpeza do local, drenagem por ser uma obra em um curso d’água, as diferenças vão ficar mais na parte da implantação dos equipamentos extras necessários para se aplicar o método do Shield Tracionado e na escavação em si. Na Tabela 1 pode-se observar os custos obtidos na tese da Dra. Lidiani Pierri para a escavação manual.
Tabela 1 - Orçamento para a escavação manual
Fonte: Pierri, 2018
Analisando esses valores pode-se observar que o maior custo é o da escavação e revestimento do túnel, que representa 76% dos custos totais, seguido pela administração da obra com 18% e com o resto das atividades somando apenas 6%.
A Tabela 2 mostra o orçamento para o Shield Tracionado onde pode-se notar um aumento no custo da obra de aproximadamente 29,5% que será discutido logo a seguir.
Tabela 2 - Orçamento para o Shield Tracionado
Fonte: Pierri, 2018
O valor final encontrado nesse orçamento foi de pouco mais de 1 milhão e 700 mil reais, que é composto de sua maior parte pelos custos de escavação e revestimento igual no método manual, compondo 79% do custo total, porém pode-se perceber uma diminuição dos gastos administrativos e um acréscimo necessário para a compra do equipamento.
Esses orçamentos levaram em conta apenas os custos diretos e indiretos, como mencionado anteriormente, e o maior diferencial para esses dois métodos diferentes de se realizar essa obra seria nos custos sociais, já que o Shield Tracionado garante muito mais segurança para o trabalhador e diminui bastante a ocorrência de acidentes. Segundo Celik, (2017) o custo total da obra pode aumentar em 10% caso os riscos envolvidos na obra sejam baixos, de 10% a 20% caso os riscos sejam médios, e de 20% a 40% caso sejam altos.
Se for levado em conta o custo social a diferença de preços entre os métodos diminui bastante, podendo até ficar mais economicamente viável a técnica nova. Como foi observado na análise de recalques, com o uso da couraça a segurança na obra aumentou muito, os recalques diminuíram e as chances de algo dar errado ficaram muito menores, e caso considerássemos um custo extra de 40% para a obra manual devido ao seu alto risco o valor do Shield Tracionado compensaria.
Analisando o cronograma também pode-se observar algumas vantagens desse método novo, mesmo com uma área de seção maior e proporcionalmente mais volume a ser escavado, o suporte oferecido pela couraça e o uso de equipamentos mecanizados faz com que o avanço seja mais rápido. Consegue-se executar até três anéis de revestimento por dia contra apenas dois no método manual convencional nessa obra, o que faz com que toda a etapa de
obra, desde a mobilização final até a entrega possa ocorrer em 13 semanas com o Shield Tracionado contra 15 semanas no método manual.
3.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Conforme foi mostrado nos tópicos anteriores o projeto desenvolvido aumenta o grau de mecanização do processo de escavação manual, oferecendo uma velocidade maior da realização da obra e principalmente um grande aumento na segurança, o que pode até deixar o custo total da obra mais baixo. Além disso o equipamento apresentou recalques significativamente menores o que também proporciona a possibilidade de se escavar com coberturas de solo menores.
Em suma, o conceito desenvolvido pela equipe comandada pela Dr. Pierri é extremamente competitivo no mercado e é uma tecnologia que deve receber investimentos para que se possa prosseguir com os estudos para o projeto preliminar, projeto detalhado e então o teste com protótipos permitindo inserir o novo método como uma alternativa no mercado.
Como possibilidades futuras de melhoramento do equipamento foram levantadas ideias de se aplicar um método de extrusão de concreto, para deixar o processo mais automatizado. A ideia básica consiste em executar o revestimento por extrusão à medida que a couraça se movimenta. Também pode-se adotar um sistema de fluído para reduzir o atrito da couraça com o solo, diminuindo as forças atuantes e fazendo com que as bitolas dos cabos possam ser menores.
4 TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DE TÚNEIS EM ROCHA
4.1 INTRODUÇÃO
Nesse tópico serão abordados métodos mecanizados para se escavar túneis em rocha branda e dura. Quando se tem um maciço rochoso, as técnicas e equipamentos utilizados são mais complexos do que a escavação em solos, que foi mostrada anteriormente, e para aplicações urbanas com passagens de carros, caminhões e trens os túneis são geralmente grandes tanto em comprimento quanto no tamanho da seção, necessitando assim de equipamentos especiais como as TBM (Tunnel Boring Machines), e os outros métodos que serão apresentados em seguida.
4.1.1 PRINCÍPIOS DO CORTE EM ROCHA
Segundo Maurer (1979) a escavação de rochas se dá por meio de quatro mecanismos básicos (Figura 18):
• tensões induzidas mecanicamente; • tensões induzidas termicamente; • fusão e vaporização; e
• reações químicas.
Cada um desses mecanismos de escavação será detalhado a seguir.
Figura 18 - Mecanismos de escavação de rochas
4.1.1.1 TENSÕES INDUZIDAS MECANICAMENTE
Os métodos de tensões induzidas mecanicamente são os mais usados atualmente e se tratam, basicamente, de pressionar a rocha por contato, impacto, abrasão ou erosão até chegar num ponto que ultrapasse o limite de tensões da rocha, ocasionando uma fratura. Este mecanismo corresponde ao caso dos discos de corte das TBM vistas anteriormente. Também se utilizam ferramentas que geram impacto, implosões e explosões para fragmentar o maciço, onde novamente as rachaduras geradas se propagam até se conseguir desmontar a rocha.
Outras ferramentas utilizadas para esse efeito são jatos de água de alta pressão com ou sem material abrasivo adicionado, como areia por exemplo. São classificados em 3 categorias dependendo da sua velocidade, com os de alta velocidades variando entre 200 a 1000m/s e necessitando de uma pressão de até 5000kg/cm² (MAURER, 1979).
4.1.1.2 TENSÕES INDUZIDAS TERMICAMENTE
Tendo em vista que formações rochosas não são completamente homogêneas e possuem variações em sua composição, ao se introduzir uma fonte de calor na frente de ataque se provoca uma expansão térmica de acordo com as leis básicas da termodinâmica, que será diferente para diferentes partes da rocha que não possuem o mesmo coeficiente de expansão linear. Essas pequenas diferenças na expansão irão gerar uma fragmentação na rocha (MAURER, 1979).
O processo de tensões induzidas termicamente tem sua maior eficiência aos 573º Celsius, a temperatura de mudança de fase do Quartzo. Porém deve-se notar que esse processo gera apenas a fragmentação da rocha, necessitando de outras ferramentas que irão facilmente remover os pedaços de rocha fragmentada do túnel em escavação (MAURER, 1979).
4.1.1.3 TENSÕES INDUZIDAS POR FUSÃO E VAPORIZAÇÃO
O método de tensões induzidas por fusão e vaporização também utiliza o calor para desmontar a rocha, porém envolvendo a mudança de estado físico da rocha, passando do estado sólido para o líquido ou gasoso. Segundo Maurer (1979), a transferência de calor de 4000 a 5000 joules/cm³ é necessária para fundir a maioria das rochas. Rochas ígneas como o granito e o basalto, que geralmente são mais resistentes, necessitam de menos energia para
fundir por esse método do que rochas sedimentares, menos resistentes. Sendo assim é um método interessante para iniciar a escavação de rochas duras que poderiam encontrar dificuldades nos outros métodos mais tradicionais. Também é importante ressaltar que é necessário muito mais energia para vaporizar uma rocha do que para fundir a mesma (MAURER, 1979).
4.1.1.4 TENSÕES INDUZIDAS POR REAÇÕES QUÍMICAS
O método de tensões induzidas por reações químicas se baseia no uso de produtos químicos para alterar a composição cristalina da rocha e diminuir sua dureza, facilitando assim sua remoção. Assim como o método de indução de tensões térmicas é necessário de um equipamento auxiliar para continuar a escavação por contato mecânico. Esse tipo de tecnologia para escavação ainda está em fases de pesquisa e por isso não é muito utilizado, necessitando ainda maturar e aprimorar as técnicas para que possa ser usado em escala maior
Como pode-se observar nos diferentes tipos de métodos de indução de tensões, muitas vezes a forma química, ou de indução de calor não é suficiente para escavar o maciço rochoso, necessitando de um complemento com máquinas que induzam tensões mecânicas como as TBM. Porém, tendo em vista que esses métodos, principalmente o térmico, diminuem a resistência da rocha, o uso conjunto com uma TBM pode ser vantajoso, facilitando a escavação e evitando o desgaste prematuro da cabeça de corte das máquinas tuneladoras (MAURER, 1979).
4.2 ESCAVAÇÃO COM EXPLOSIVOS (“Drill and Blast”)
A escavação com explosivos (“Drill and Blast”) é um método usado para a escavação de túneis em rocha que consiste na perfuração do maciço e no uso de explosivos para realizar o desmonte da rocha (Figura 19). Este método é muito utilizado por ser econômico, porém deve ser altamente monitorado e controlado seguindo todas as normas e requisitos de segurança para garantir a integridade dos operários e do local, pois caso aconteça algo de errado poderão ter impactos sérios sobre toda a vizinhança do local de uma obra (CICHINELLI, 2014).
A posição de cada furo, seu diâmetro, comprimento e o tipo e quantidade de explosivos que serão usados devem ser projetados com antecedência e compõem o Plano de Fogo, documento que detalha e guia a fase de detonação.
Figura 19 - Frente de escavação com Drill and Blast
Fonte: Autor, 2019
Esse método possui basicamente 8 etapas: Perfuração, carregamento, detonação, ventilação, abatimento de choco, limpeza, aplicação de chumbadores e revestimento, repetindo esse ciclo até a finalização da obra (Figura 20).
Na etapa da perfuração utiliza-se um jumbo hidráulico para realizar os furos na frente de trabalho de acordo com o plano de fogo. Quanto mais dura for a rocha mais explosivos serão necessários nessa fase.
Em seguida ocorre a etapa de carregamento, na qual os furos são preenchidos com explosivos e conectados a um detonador. O tipo do explosivo definido no plano de fogo irá determinar a execução do carregamento, podendo ser encartuchados, bombeados ou granulados.
A fase de detonação, que leva apenas alguns segundos, não ocorre de maneira simultânea e sim sequencial, normalmente do centro para as extremidades. Os métodos mais modernos utilizam iniciadores eletrônicos, porém muitos Planos de Fogo ainda usam uma chama direta no estopim para começar a detonação.
Figura 20 - Etapas Drill and Blast
Fonte: RailSystem, 2015
Após a detonação ficam presentes na frente de trabalho muitas partículas de rocha que se misturam com os gases da explosão e que dificultam o trabalho e afetam a saúde dos operários. Para resolver esse problema são colocados dutos de ventilação no teto que irão jogar ar fresco no local da explosão, dispersando os gases no local e deixando possível o trabalho ser reiniciado dentro de algum tempo.
Depois da exaustão dos gases resultante da detonação de explosivos são então removidas as rochas fraturadas que ainda estão presas no teto do túnel, com equipamento próprio como o bate choco, para não comprometer a segurança dos trabalhadores. Então é feita a limpeza do local, utilizando escavadeiras ou carregadeiras para transportar o material detonado até caminhões basculantes, que os levam para locais próprios de destino. Em obras mais recentes pode se utilizar esteiras transportadoras para tornar a movimentação desse material para fora do túnel mais eficiente.
Após a limpeza, são aplicados os chumbadores em furos realizados de maneira radial ao longo do perímetro superior da seção do túnel. Esses furos normalmente são preenchidos
com resina epóxi e então são inseridos chumbadores, seja de maneira manual ou mecânica, que tem como função aumentar a estabilidade do maciço, evitando que os blocos cedam.
Figura 21 - Equipamento para Drill and Blast
Fonte: Autor, 2019
Ao longo do avanço da escavação um geólogo deve continuamente fazer um mapeamento para acompanhar e anotar o tipo de rocha que está presente e se está ocorrendo alguma variação das sondagens iniciais. Por fim, passa-se à etapa de revestimento, geralmente em concreto projetado que deve ser dimensionado para cada caso (ZARE, S, 2007).
Em suma pode-se destacar as vantagens do método de escavação com explosivos (“Drill and Blast”) como tendo um impacto ambiental baixo em termos de barulho e poeira, cujos impactos são restritos às pessoas que estão trabalhando na obra. Além de não atrapalhar o tráfego local esse é um dos métodos mais econômicos e bem consagrados de se construir um túnel em rocha (ZARE, S.; BRULAND; ROSTAMI, 2016). Como desvantagem vale destacar um elevado nível de risco ao se trabalhar com explosivos, tanto na estocagem quanto no momento da detonação, que mesmo seguindo todas as normas e tendo cautela ainda há um certo risco envolvido nessas obras.
4.3 ESCAVAÇÃO MECÂNICA COM ESCARIFICADORES
Também conhecida como “Partial Face Boring Machines”, os escarificadores de túneis são equipamentos que trabalham em parte da frente de ataque, como sugerido pelo nome, e não nela como um todo ao mesmo tempo, como as “Tunnel Boring Machines”. De maneira similar a essas últimas, a escavação com escarificadores utiliza um mecanismo rotatório (Figura 22) que pressiona a rocha para realizar a escavação (CHAPMAN, et al, 2010).
Atualmente esse método é bastante utilizado em solos com bastante consistência, rochas brandas e alguns tipos de rochas dura, podendo executar diferentes formatos de seções. Por ser utilizada apenas em parte da frente de trabalho por vez ela produz níveis baixos de vibração e permite com uma maior facilidade a instalação imediata de suportes nas partes menos resistentes das rochas. Porém, esta técnica produz bastante poeira que necessita de uma ventilação exaustiva no local. Além disto, há limitações dependendo do tipo de rocha, como por exemplo, em rochas contendo quartzo as partículas de poeira podem causar câncer, o que impossibilita a utilização dessa técnica nesses locais. (CHAPMAN, et al, 2010).
Figura 22 - Maquina escarificadora transversal
Basicamente temos dois tipos de maquinas escarificadoras para rocha, com diferenças na direção de rotação da ferramenta de corte em relação ao eixo do equipamento. Conforme mostra a Figura 21 e a parte da direita da Figura 23, as escarificadoras transversais possuem um mecanismo de corte transversal ao eixo principal.
Figura 23 - Tipos de máquinas escarificadoras
Fonte: Chapman, et al, 2010
Como as Figura 23 e 14 ilustram, as escarificadoras axiais têm a direção de rotação alinhada com o eixo principal da máquina. Dependendo do tipo de máquina escolhida pode se obter diferentes resultados para a mesma rocha, ressaltando a importância de se observar todos os parâmetros para garantir uma maior eficiência e vida útil dos equipamentos.
Figura 24 - Máquina escarificadora axial
4.4 TUNELADORAS PARA ROCHA
Tuneladoras (Figura 25) são máquinas utilizadas na escavação de túneis, geralmente possuindo seção circular, que escavam de maneira completa a frente de ataque do túnel, ao contrário das maquinas apresentadas anteriormente que escavam de maneira parcial. Chamadas de TBM (Tunnel Boring Machines), elas são projetadas especificamente para cada projeto, podendo executar microtúneis com diâmetro menor do que 1m até túneis maiores de 15m, com o máximo já registrado de 19 m de diâmetro segundo Chapman (2010).
As TBMs estão disponíveis para os mais diversos tipos de solo, não se limitando somente a rochas duras, porém apresentam dificuldades quando ocorre muita variação ao longo do mesmo percurso. Embora as máquinas possam ser feitas especificamente para um determinado projeto, com diâmetro e tipo de solo específico não é incomum utilizar o caminho contrário, fazendo um projeto com base em uma TBM usada que esteja disponível, mudando apenas a cabeça de corte do equipamento (CHAPMAN, et al, 2010).
Figura 25 - Máquina tuneladora (TBM)
Segundo Maidl et al. (2008), as tuneladoras têm como vantagem:
• Alta taxa de avanço
• Execução contínua a ininterrupta
• Possibilidade de se ter um alto nível de automação e mecanização • Segurança superior à maioria dos outros métodos
• Bom acabamento
Por outro lado, tem-se as seguintes desvantagens:
• Alta necessidade de sondagens e informações geológicas • Seção limitada a circular
• Investimento inicial alto • Alto tempo e custo de projeto • Necessita raios de curvas grandes • Necessita de mão de obra qualificada • Difícil logística de transporte
Apesar das desvantagens mencionadas esse tipo de escavação é bastante usado e é muito eficiente, principalmente na questão da automação e segurança. De acordo com Maidl et al. (2008) as TBM têm quatro sistemas básicos: sistema de escavação, sistema de movimentação e acionamento, sistema de remoção dos detritos e sistema de suporte. Já segundo Noronha el al. (2010), aprofundando as pesquisas anteriores e as aprimorando, as TBM têm seis sistemas básicos (os quatro primeiros sistemas são iguais aos mencionados por Maidl), os quais serão expostos a seguir.
