1.1. Justificativa O problema em estudo

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1 Introdução

“Desde aproximadamente 5000 anos atrás o ser humano tem pensado na construção de túneis para diferentes propósitos. Túneis foram escavados para a proteção de bens e de pessoas, para proporcionar acessos secretos a lugares protegidos, para a extração de recursos naturais e para acelerar o transporte.”

Maidl et al, 1996

Existem registros de túneis desde a antiguidade, os mais antigos se localizam no Vale dos Reis, no Egito e datam de 1500 a.C. Em Jerusalém foi encontrado um túnel de 450m de extensão que data do ano 700 a.C.. Em geral estes tipos de túneis eram usados principalmente para a condução de água.

A escavação de túneis como via de trânsito teve origem na época romana. Os dois exemplos mais importantes e ainda existentes são o túnel de Furlo (século I a.C.) e a Cripta de Nápoles (século I d.C.), os quais faziam parte da extensa rede de estradas do Império Romano. Após sua queda, a construção de mais vias foi abandonada, e também a necessidade de construção de túneis (Santoyo et al., 2013).

O tempo passou e foi somente no começo do século XIX com a industrialização, a invenção do trem e do automóvel, que a necessidade de escavação de túneis veio à tona. Assim, os túneis se desenvolveram rapidamente com a construção das redes ferroviárias, estradas e vias urbanas.

Em muitos casos a execução de túneis permitia resolver problemas como a limitante dos trens para transitar em pendentes limitadas (de 0,2% a 0,3%), reduzir a extensão das vias e também evitar a execução de grandes cortes que poderiam gerar problemas de instabilidade do terreno (Santoyo et al., 2013).

O método de Drill and Blast (D&B) era empregado tipicamente em rocha dura, e se utilizavam explosivos para fragmentá-la. O desenvolvimento de perfuradoras eficientes para fazer os furos onde era colocada a carga explosiva pode ser considerado como uma primeira etapa da escavação mecanizada. Posteriormente foram surgindo tentativas para escavar a rocha completamente com uma máquina até chegar às máquinas tuneladoras atuais ou TBMs (Tunnel Boring Machines). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1213375/CA

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No Brasil, este tipo de equipamento foi utilizado pela primeira vez nos anos 70, na construção da linha 1-Azul do Metrô de São Paulo onde foi utilizada uma TBM Shield Blade de grande diâmetro e de face aberta (Rocha, 2012).

Atualmente vários túneis no Brasil estão sendo construídos e planejados utilizando esta tecnologia, entre estes se destaca o projeto da Linha 4 do Metrô do Rio de Janeiro, atualmente em fase de execução, sendo que no trecho sul que liga Ipanema com Gávea se está usando uma TBM EPB de 11,46m de diâmetro, 120 m de comprimento e aproximadamente 2700 toneladas. Esta é a maior TBM deste tipo já utilizada na América Latina até agora.

1.1. Justificativa

1.1.1. O problema em estudo

Na atualidade cada vez mais o espaço superficial disponível diminui ou se vê limitado por condições próprias do entorno, especialmente nas grandes cidades. Isto faz com que o aproveitamento do espaço subterrâneo não seja mais uma alternativa, mas uma necessidade. Esta idéia é reforçada por Hanamura citado por Cruz (2012) “o espaço subterrâneo não é mais um espaço opcional, mas antes um espaço necessário para as cidades”.

Em palavras do professor Carlos Manuel da Cruz Moreira (2012), coordenador do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra.

“Ultimamente, uma idéia mais moderna e atual tem instigado de forma assaz crescente a procura pelas estruturas subterrâneas em geral. A melhoria das condições de vida das populações e a minimização dos impactos ambientais são dois fatores que hoje em dia orientam a concepção de infraestruturas subterrâneas, podendo-se mesmo dizer que se está atualmente lidando com a Era Ambiental dos túneis e que a doutrina principal é a da optimização dos procedimentos.”

A prática da engenharia trata de resolver problemas reais com inteligência, de forma que se garantam soluções seguras, eficientes e economicamente viáveis, que respondam às necessidades da sociedade e que minimizem o impacto no meio ambiente.

No caso de escavação de túneis os avanços tecnológicos têm permitido a disponibilidade de um método relativamente novo para a execução deste tipo de obras. A escavação mecanizada e, subsequentemente, as TBMs ganharam um amplo espaço no mercado nos últimos anos, devido às vantagens que oferecem

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sobre os métodos tradicionais. No entanto, determinar o desempenho deste tipo de equipamento em condições variáveis do meio geológico e o consumo e vida útil das ferramentas de corte são tarefas essenciais para a estimativa dos custos e do cronograma de um projeto.

Uma característica das escavadoras mecânicas é que são máquinas especializadas, projetadas para um local (material) específico e são equipamentos caros. Assim, para maximizar seus benefícios (taxas de produção elevadas, minimizar custos, automatização e ambiente de trabalho seguro) em qualquer operação, é muito importante compreender o funcionamento destas máquinas em condições específicas de trabalho. Por estes motivos muitos modelos têm sido formulados ao longo dos anos com o objetivo de avaliar os parâmetros de projeto e seu impacto nas máquinas, além de também estimar a taxa de avanço. Estes modelos não são somente usados para prever o desempenho de uma máquina específica para uma dada geologia, pois também permitem o aperfeiçoamento do desenho da cabeça de corte, além de permitir especificar requerimentos mecânicos para atingir as metas de produção/avanço desejados (Cigla e Ozdemir, 2000).

1.1.2. Importância

A importância deste trabalho consiste na apresentação dos diferentes modelos reportados na literatura para avaliar o desempenho de equipamentos mecanizados que utilizam discos de corte para escavar a rocha, como é o caso das TBMs. Estes modelos podem ser usados para avaliar empreendimentos de túneis que estão sendo ou serão executados no Brasil e no mundo. Existe também a possibilidade de ajustá-los para as condições específicas da geologia brasileira.

Apresenta-se assim uma breve descrição da teoria que descreve a mecânica do processo de fragmentação da rocha, as características das TBMs e das ferramentas de corte, e também se expõem vários dos modelos mais renomados utilizados na determinação do desempenho deste tipo de equipamento, permitindo a quem consulte este material ter uma melhor noção do tema e dos fatores que intervém no processo como um todo. Além de se apresentarem os principais modelos disponíveis para a estimativa do desempenho de TBMs, no final do trabalho se estudaram dois casos práticos de projetos executados na Europa, onde se aplicou um dos métodos a maneira de

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exemplo, permitindo assim, ter uma noção do processo de escavação com este tipo de equipamento. Também foi realizada a análise de um caso sintético de fase de escavação mista com até três tipos de materiais, para estudar o impacto desta condição no desempenho da TBM e nas forças resultantes sobre a máquina.

São muitas as pesquisas realizadas ou que estão em andamento no mundo todo, referentes à escavação mecanizada. Também muitos modelos apresentados neste trabalho estão em constante atualização e aprimoramento, com cada novo projeto, a cada novo metro de túnel escavado, a cada nova experiência adquirida.

Pelas razões expostas, este material consiste numa base informativa, a partir da qual poderão ser realizadas futuras pesquisas com ênfase na realidade da América latina e, especialmente, no Brasil.

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo geral

Esta pesquisa tem como objetivo geral analisar a taxa de avanço em função do tipo de rocha, profundidade e tipo de equipamento TBM. Discute-se sobre os mecanismos de corte da rocha e os ensaios usados para definir a resistência ao avanço, aplicando-os no estudo de um caso prático/sintético.

1.2.2. Objetivos específicos

Os objetivos específicos deste trabalho são:

i. Pesquisar em referências técnicas os métodos disponíveis para determinar o desempenho de equipamentos mecanizados de escavação em rocha, especificamente para o caso de máquinas tuneladoras (TBM); ii. Apresentar os fatores que influenciam o desempenho de uma TBM e a

durabilidade das ferramentas de corte;

iii. Apresentar os ensaios usados comumente e recomendados para o estudo do desempenho deste tipo de equipamento;

iv. Aplicar um dos métodos apresentados no estudo do desempenho de uma TBM a um caso prático e um caso sintético sob condições variáveis da frente de escavação (condição de face mista).

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1.3. Delimitação do problema

1.3.1. Alcance

No presente trabalho foram abordadas as metodologias existentes para estimar o desempenho de máquinas TBM somente no caso de escavação em rocha, focado na possibilidade de determinar o desempenho real em campo. Assim, maior atenção é dada para os modelos que apresentam esta possibilidade.

Não foi realizada nenhuma modelagem numérica (FEM, DEM), pois são numerosos os pesquisadores que têm realizado este tipo de análise, e, na maioria dos casos, concentraram-se no estudo do mecanismo de fragmentação da rocha sob o efeito de um disco de corte isolado ou o efeito da interação entre discos vizinhos (efeito de grupo) (Cook et al., 1984; Zhao e Gong, 2006; Cho, 2010; Alvarez, 2000; Alsahly et al., 2013 e Medel e Botello, 2013). Também não foram levados em conta os recalques gerados pela escavação com a TBM.

Realizou-se uma estimativa do desempenho da TBM para um caso prático utilizando um dos modelos apresentados, de forma que fosse possível obter uma estimativa da ordem de grandeza da taxa de penetração e de avanço.

Além disso, se realizou uma análise para um caso sintético com a presença de face mista, para avaliar o efeito desta condição no desempenho e nas forças resultantes. Os parâmetros do material utilizado foram obtidos da literatura consultada. Realizou-se também uma estimativa do consumo das ferramentas de corte segundo o método apresentado pela Universidade da Ciência e Tecnologia da Noruega (NTNU), que utiliza o índice de vida dos cortadores ou Cutter Life Index (CLI), adotando-se para isso valores de referência apresentados pelo próprio NTNU.

Não foi realizado nenhum ensaio de laboratório, de forma que os dados utilizados, tanto referentes aos parâmetros do maciço rochoso como as especificações da máquina, foram obtidos de casos práticos publicados em artigos técnicos ou estimados com base em casos similares ou recomendações da literatura. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1213375/CA

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1.3.2. Limitações

Alguns dos modelos ou metodologias utilizadas para avaliar o desempenho de uma TBM precisam de ensaios específicos para determinar alguns dos valores de entrada do modelo. Estes ensaios envolvem na maioria das vezes equipamentos que somente estão disponíveis nas entidades de pesquisa onde foram desenvolvidos ou em pouquíssimas instituições ao redor do mundo. Por esta razão, nos casos onde eram necessários, foram utilizadas correlações com propriedades de uso mais comum na prática da engenharia ou foram consultados valores representativos da literatura.

1.4. Metodologia

Na Figura 1-1 apresenta-se a metodologia estabelecida para a realização do presente trabalho.

Figura 1-1. Metodologia proposta.

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1.4.1. Fase Teórica

Nesta fase foi realizada uma investigação exaustiva na literatura e nos diferentes meios técnicos disponíveis. Depois da obtenção de um panorama geral do assunto, esta informação foi filtrada e condensada com o objetivo de apresentar as metodologias mais difundidas ou aceitas no meio técnico.

Também foram contactados via e-mail, vários dos pesquisadores que trabalham neste campo de pesquisa e que têm relação com os modelos mais amplamente difundidos, Desta forma foram contactados os profissionais: Amund Bruland, Jamal Rostami e Arild Palmström, ligados de forma direta com os modelos da Universidade da Ciência e Tecnologia da Noruega em Trondheim (NTNU), o modelo da Escola de Minas do Colorado (CSM) e o modelo do Rock Mass Index (RMi) da Universidade de Oslo, respectivamente.

Nesta fase também se contactou o consórcio executor da Linha 4 do Metrô do Rio de Janeiro com o objetivo de obter informação sobre um caso prático, com a intenção de realizar uma estimativa do desempenho de uma TBM utilizada no Brasil com alguns dos métodos disponíveis.

1.4.2. Fase de Modelagem

Nesta fase foi desenvolvida uma planilha em Excel com o modelo do CSM, permitindo a avaliação de casos sobre configurações diversas do meio geológico e características do equipamento TBM utilizado.

Para avaliar a influência de uma face mista de material foi proposto um caso sintético e se realizou uma análise paramétrica para estudar a possível influência que esta condição pode gerar no desempenho de uma TBM. Também foram obtidos dados de dois casos práticos reportados na literatura e foi realizada uma análise usando o modelo do CSM programado. Posteriormente o desempenho calculado foi comparado com os valores reportados nas fontes de consulta respectivas.

1.4.3. Fase de Análise

Nesta fase foram analisados os resultados obtidos da modelagem, sua aplicabilidade e, finalmente, apresentaram-se as devidas conclusões e recomendações que surgiram durante a elaboração do presente trabalho.