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Construção em túneis: Design racional para tuneladoras de última geração

A execução de um túnel envolve uma grande complexidade técnica, tanto pelo tipo de maquinaria utilizada como pelo meio em que se trabalha. O principal objetivo dos construtores é executar as obras evitando o dano às estruturas e serviços que se encontram na superfície, enfrentando, além disso, complexas incertezas geológicas.

O design e a construção de um túnel pode apresentar diversos obstáculos. O primeiro deles representa o tipo de terreno a escavar, que pode ser mole (solo) ou rochoso (duro ou semiduro). Dependendo de suas características escolhe-se o método a utilizar para sua escavação, seja com máquinas ou explosivos.

Em termos gerais, o uso de tuneladoras acarreta uma melhora da segurança em comparação com os sistemas convencionais de escavação de túneis.

Estas máquinas perfuram a rocha em toda a seção, geralmente de forma circular. A energia mecânica é gerada mediante motores elétricos e transmitida à cabeça rotativa da máquina sob a forma de um torque de rotação, através de circuitos hidráulicos

Este torque de rotação, juntamente com o impulso proporcionado por uns cilindros hidráulicos à cabeça da máquina contra a frente de escavação, fornece a energia mecânica às ferramentas de corte (os discos), que a transmitem para a rocha através da superfície de contato.

O nível da energia liberada é capaz de produzir, em primeiro lugar, a penetração dos cortadores de disco e, em segundo lugar, a quebra por tração e cisalhamento da rocha entre as séries de cortadores concêntricos dispostos na cabeça do aparelho.

Nem sempre é possível utilizar estas máquinas. Isso pelo tipo de materiais a escavar, a longitude do túnel ou a disponibilidade e custo dos equipamentos.

No entanto, e apesar destas dificuldades, seu uso continua sendo um dos métodos mais vantajosos para unir dois pontos através de uma via subterrânea. Estas máquinas são, em termos gerais, a melhor alternativa de eficiência, confiabilidade, tempo de execução, custo e segurança.

Um uso correto

Cada uma das diferentes tuneladoras tem suas vantagens e inconvenientes. Para obter os resultados esperados, é indispensável, mesmo antes de escolher o equipamento a utilizar, planejar cuidadosamente. Antes de mais nada, é preciso realizar uma boa caracterização geológica, geotécnica e hidrogeológica dos terrenos a ser escavado.

É de vital importância conhecer muito bem as propriedades geológicas, geotécnicas e hidrogeológicas do terreno para poder conceber o método de escavação e o de sustentação mais adequada.

Também é fundamental levar em conta os serviços e construções existentes na superfície, tanto diretamente sobre a linha de traçado, como em áreas próximas. Esta é a única forma de tomar a melhor decisão quanto ao tipo de tuneladora a ser selecionada, as medidas corretivas do terreno, o ritmo de trabalho, as medidas de segurança ou a intensidade da perfuração, entre outros aspectos.

Segurança como norte

As tuneladoras oferecem maiores níveis de segurança em comparação com outras técnicas de escavação. No entanto, não eliminam todos os riscos. Seu uso, ao mesmo tempo que descarta ou reduz alguns dos perigos inerentes a outras técnicas (como os explosivos), propõe novos desafios que é necessário conhecer, compreender, avaliar e manejar adequadamente.

Basicamente, podemos falar de três tipos de riscos: os que são devidos à própria geologia do terreno (e que por desconhecimento de sua natureza podem ocasionar acidentes de consequências muito graves), os riscos inerentes à maquinaria e instalações da obra no túnel e, finalmente, os riscos provocados pelas peculiares condições do ambiente de trabalho.

Estes riscos estão associados geralmente à manipulação de grandes cargas que podem provocar afundamentos ou capotamento da maquinaria devido a possíveis falhas no terreno de apoio. Também podem ocorrer fundações inadequadas nos guindastes torre ou pontes rolantes.

Em geral, a execução de túneis apresenta uma série de riscos que se devem a diversos fatores, entre os quais destaca a natureza do subsolo. É de vital importância conhecer muito bem as propriedades geológicas, geotécnicas e hidrogeológicas do terreno para poder conceber o método de escavação e o de sustentação mais adequada.

A escavação do túnel constitui a atividade principal e de duração mais longa. Nesta ação é importante diferenciar os diferentes tipos de riscos existentes.

Basicamente, podemos falar de três: os riscos que são devidos à própria geologia do terreno (e que por desconhecimento de sua natureza podem ocasionar acidentes de consequências muito graves), os riscos inerentes à maquinaria e instalações da obra no túnel e, finalmente, os riscos provocados pelas peculiares condições do ambiente de trabalho.

Deve-se ter especial cuidado nos primeiros metros de escavação do túnel, já que a tuneladora precisa contar com um apoio suficiente para poder exercer pressão contra a frente. Do contrário, poderia haver apoio deficiente das sapatas por falha do terreno. Isto pode provocar seu afundamento. Também o menor recobrimento pode dar lugar a colapsos e desabamentos.

Novos tempos, novos desafios

As novas necessidades da sociedade implicam o surgimento de projetos concebidos sob parâmetros e executados em condições geológicas que seriam inconcebíveis há alguns anos.

Isso demanda o uso de máquinas que estejam especialmente adaptadas para escavar com segurança a infraestrutura subterrânea onde seja necessário, independentemente das condições existentes no subsolo.

Mas, além disso, requer uma maior preparação e compromisso por parte dos operários encarregados de converter os projetos em obras.

O certo é que, cada vez mais, os túneis devem ser construídos em geologias heterogêneas. A combinação de seções de rocha sólida com outras de solos moles é moeda de uso corrente. Também, estas variações podem incluir frentes com presença de aquíferos ou com condições mistas de rochas e terra ou arenitos.

Por isso, o design das máquinas é muito mais exigido. Estas devem estar adequadamente preparadas para escavar e revestir o túnel de uma forma segura e confiável. Além disso, devem fazê-lo sem necessidade de longos tempos de conversão para adaptar-se às condições específicas dos solos em cada etapa do avanço. Somente assim poderão manter níveis de tempo de execução e custos que tornem a obra técnica, operacional e financeiramente viável.

Tecnología de ponta enfrenta um maior desafio

Os alinhamentos de túneis com condições variáveis do solo tornaram-se um desafio comum em muitos projetos subterrâneos. As condições ao longo do túnel com frequência variam de frentes com rochas estáveis a solos moles com presença de água. As tecnologias standard das tuneladoras de escudo (TBM, do inglês Tunnel Boring Machine ou minador a seção completa) foram aprimoradas para poder trabalhar em uma gama mais ampla de condições específicas do terreno. No entanto, quando a variabilidade das condições do terreno é excessiva, com frequência alcançam-se limites técnicos e comerciais.

É por isso que as TBM multimodais oferecem a possibilidade de modificar a tecnologia de escavação do túnel para adaptar-se às condições reais do terreno e, portanto, fazer funcionar as tuneladoras em modos diferentes.

As denominadas tuneladoras de densidade variável são uma nova geração de máquinas multimodais para solos moles com tecnologia de ponta. Sem grandes modificações mecânicas, estas máquinas combinam as duas tecnologias básicas de tuneladoras para solo mole de modo fechado, mantendo um controle permanente da pressão da frente.

A TBM de densidade variável pode utilizar-se como uma tuneladora de pressão de lodos clássica mediante um sistema de bolhas de ar para controlar a pressão da frente e em um modo de pressão de terras completo.

A mudança entre os modos pode ser feita gradualmente com um controle permanente e total da pressão da frente do túnel e sem necessidade de realizar intervenções na câmara.

Esta máquina também pode funcionar utilizando uma alta densidade na câmara de escavação, que seria demasiado densa para o funcionamento clássico de pressão de lodos, mas demasiado fluida para um funcionamento clássico de pressão de terras.

Os denominados escudos duplos são tuneladoras que têm características tanto da toupeira como do escudo. Trata-se de um escudo telescópico articulado em duas peças pensado para sustentar o terreno ao avançar na escavação do túnel. Sua principal característica é seu duplo sistema de propulsão independente, o primeiro para o escudo e o segundo para a toupeira.

As novas necessidades da sociedade implicam o surgimento de projetos concebidos sob parâmetros e executados em condições geológicas que seriam inconcebíveis há alguns anos.

Esta é uma máquina muito versátil, pois permite escavar tanto a rocha dura, que os escudos propriamente ditos não poderiam perfurar, com rendimentos parecidos com os das toupeiras. Mas, além disso, permite a escavação em terrenos instáveis e heterogêneos que as toupeiras não poderiam realizar. Portanto, é a melhor solução para maciços com trechos de tipologia variável solo-rocha.

A máquina apresenta dois escudos: o frontal e o traseiro. O frontal suporta a cabeça de corte, contém o rolamento principal, a coroa de acionamento e as vedações interna e externa. O traseiro, também chamado escudo de ancoragem, incorpora o eretor de aduelas e os cilindros de impulso para a propulsão em modo escudo normal.

O movimento destas duas partes é independente, de modo que a cabeça pode escavar enquanto na cauda vão montando-se os anéis de aduelas. Assim, os rendimentos alcançados são maiores que com um escudo simples.

Um mundo de vantagens

A tecnologia de tuneladoras multimodais oferece a possibilidade de mudar entre vários modos de funcionamento dentro do túnel.

A grande quantidade de aplicações desta nova geração de tuneladoras de solo mole multimodais mostra a vantagem de dispor de uma solução segura, inclusive para áreas de alto risco potencial.

A maioria dos projetos de túneis atuais apresentam uma geologia e um ambiente heterogêneos e complexos, com a exigência adicional que supõe passar por debaixo de estruturas importantes e delicadas.

Com a tecnologia de tuneladoras de densidade variável mais recente estes projetos podem realizar-se de uma forma segura e confiável.

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