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ESCAVAÇÃO SUBTERRÂNEA DA ESTAÇÃO DE FARIA GUIMARÃES – METRO DO PORTO

José Pinto Engenheiro Geotécnico, ex-director de obra da EXPLO, LDA. Resumo Em 30 de Junho de 2006, o autor proferiu uma palestra no 1º Congresso da Secção Regional Norte da ANET, intitulada – Escavação Subterrânea da Estação de Faria Guimarães – Metro do Porto, obra na qual foi director de obra representando a empresa EXPLO, LDA. O texto que se apresenta traduz o que foi transmitido nessa palestra. A EXPLO – Empresa de Demolições Lda., subcontratada pela SOARES DA COSTA S.A. executou os trabalhos de escavação e sustimento primário da Galeria de Acesso ao Cais, Galeria de Cais e Galerias Inclinadas, englobados na empreitada geral da “Construção da Estação de Faria Guimarães – Metro do Porto”. O presente artigo pretende descrever de forma sucinta as características do projecto, o processo de execução e incidências mais significativas na realização dos trabalhos. 1. INTRODUÇÃO. No período que decorreu entre os anos 2002 a 2005, o autor representando a EXPLO, LDA. contribuiu com a sua competência técnica especializada para a execução de diferentes tipos de trabalhos, em várias frentes de obra, das linhas C e S do Metro do Porto. Das intervenções efectuadas destacam-se:

a) Escavações a céu aberto e suporte primário: - Poço elíptico da Estação do Marquês (2002); - Poços 1 e 2 do Tribunal Correccional – Bolhão (2002); - Estação de S. Bento (2003). b) Escavações subterrâneas e suporte primário: - Túneis de ventilação 2 e 3 na Estação do Heroísmo (2003); - Nichos PB01 (Campanhã - Heroísmo) e PB02 (Heroísmo – 24 Agosto) (2003); - Estação de Faria Guimarães (2004/2005).

A vasta experiência adquirida pela equipa técnica, ao longo de vários anos de actividade em escavações, com destaque para o desmonte de rocha com recurso a explosivos, permitiu corresponder às mais elevadas exigências de execução de uma obra de características totalmente mineiras em meio urbano. A abertura de cinco galerias para a construção da Estação de Faria Guimarães, de média a grande secção, em terrenos de má qualidade geotécnica com pouca altura de recobrimento, foi o culminar de uma série de intervenções no Metro do Porto. Perante o enquadramento referido, são descritos neste trabalho, as características gerais do projecto, os meios mecânicos seleccionados que permitiram escavar um volume de 17.224 m3 de terreno granítico, e as opções tomadas para fazer face ao aparecimento de rocha dura. 2. BREVE DESCRIÇÃO DO PROJECTO. A Estação de Faria Guimarães insere-se na linha S do Metro do Porto, no cruzamento da rua de Faria Guimarães/Fonseca Cardoso com a rua do Paraíso, entre as estações do Marquês e

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da Trindade, na cidade do Porto. Em virtude da Estação estar localizada numa zona densamente urbanizada, tendo ruas estreitas como único espaço disponível à superfície (fig. 1), o projecto preconizou uma série de escavações com características totalmente mineiras, de maneira a construir uma estação subterrânea com a forma de um X. Como consequência, figurava no projecto a execução de duas galerias de grande secção (Galeria de Cais e Galeria Técnica) posicionadas em cruzamento oblíquo e duas galerias inclinadas de média secção. Para o arranque destas galerias foram executados previamente três poços de acesso de secção elíptica, com cerca de 26,0 m de profundidade, localizados nas ruas Fonseca Cardoso, Paraíso e Faria Guimarães, e uma galeria de acesso com emboquilhamento na vertical do poço da rua Fonseca Cardoso (fig. 2), transversal ao túnel em escudo executado previamente pela toneladora (TBM).

Fig. 1 – Planta de localização da obra.

Fig. 2 – Planta de localização das frentes de obra.

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3. GEOLOGIA. Em termos gerais, as escavações das galerias que compõem a Estação, atravessaram o designado “Granito do Porto” com diferentes estados de alteração, desde pouco alterado a decomposto (de W2 a W4-5) e pouco fracturado a muito fracturado (de F2 a F4-5). Com frequência apareceram bolsadas de rocha de dimensões variáveis disseminadas no granito decomposto. Sobrejacentes à formação granítica encontravam-se solos residuais, depósitos aluvionares e de aterro, atingindo uma espessura total de cerca de 9,0 metros. Estas formações viriam a ser interceptadas nos emboquilhamentos das galerias inclinadas.

Fig. 3 – Corte geológico-geotécnico na zona da Galeria de Acesso e Galeria de Cais.

4. SECÇÕES TIPO.

4.1. Galeria de Cais. A Galeria de Cais correspondendo ao corpo principal da Estação, desenvolveu-se por alargamento do túnel em escudo existente, segundo o alinhamento da rua de Faria Guimarães. Esta galeria teve a sua execução fraccionada em duas frentes (Norte e Sul) com a posição transversal à galeria onde ficaria incorporado o mezanino da estação, designada no projecto por Galeria Técnica (construção pela Soares da Costa S.A.). As duas galerias resultantes do fraccionamento contemplado no programa de execução, uma com 22,45 m e outra com 26,0 m de extensão, tinham cerca de 18,0 m de largura e 13,0 m de altura, perfazendo uma secção aproximada de 180 m2 (fig. 5).

4.2. Galeria de Acesso. A Galeria de Acesso correspondeu à parte do corpo da Estação, que permitiu desenvolver a frente da fracção sul da Galeria de Cais. Sendo o emboquilhamento na vertical do lado poente da parede do poço da rua Fonseca Cardoso, esta galeria tinha cerca de 26,0 m de extensão, 11,54 m na largura maior e 17,0 m de altura, perfazendo uma secção de 166,39 m2 (fig. 4).

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Fig. 4 – Secção da Galeria de Acesso. Fig. 5 – Secção da Galeria de Cais.

4.3. Galerias Inclinadas.

Como via de acesso da superfície ao mezanino da Estação foram executadas duas galerias com 30 graus de inclinação: a galeria de acesso sul e a galeria de acesso norte. A galeria de acesso sul, com emboquilhamento em portal na vertical do lado norte da parede do poço da rua Fonseca Cardoso, tinha cerca de 28 m de extensão, uma secção inicial nos primeiros 2,55 metros de 49,74 m2, e uma secção corrente em ferradura fechada com cerca de 8,0 m de altura e 8,6 m de largura, perfazendo uma secção de 55,10 m2. A galeria de acesso norte com uma extensão de cerca de 32 m teve o seu emboquilhamento em portal na vertical do lado sul da parede do poço da rua Faria Guimarães. A secção variou de 53,94 m2 a 58,58 m2 nos primeiros 9,0 metros (fig. 6), passando para a secção corrente com a mesma geometria e dimensões da galeria de acesso sul.

Fig. 6 – Perfil longitudinal e secções da Galeria Inclinada Norte.

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5. SUSTIMENTO PRIMÁRIO. Tal como previsto no projecto de execução, o revestimento primário teve como função estabilizar provisoriamente as secções escavadas, até ser atingido o estado de equilíbrio maciço-estrutura. Em todas as galerias executadas, o suporte primário acompanhou a frente de escavação sendo constituído por betão projectado e cambotas metálicas treliçadas, variando as dimensões conforme definição do projecto específico. Nos emboquilhamentos e em progressivas previamente definidas durante o desenvolvimento das galerias, foram efectuados, por uma empresa da especialidade, tratamentos do maciço no contorno e na frente de escavação com enfilagens tubulares injectadas (Jet-Grouting), e pregagens em fibra de vidro, respectivamente. A utilização deste método proporcionou a consolidação subhorizontal da frente de avanço e ao longo da geratriz cónica na envolvente da escavação, contrariando o efeito de desprendimentos imediatos e permitindo homogeneizar o comportamento deformacional das galerias, redistribuindo os esforços sobre os suportes. 6. FASEAMENTO CONSTRUTIVO.

O processo construtivo respeitou o método NATM (New Austrian Tunneling Method), com a sequência da escavação da abóbada e a colocação do suporte primário seguido da execução do(s) rebaixo(s). Foi estabelecido pela TRANSMETRO um sistema de controlo das deformações do maciço e das estruturas, que permitiu detectar, em tempo útil, eventuais anomalias que pudessem comprometer a segurança das pessoas e equipamentos da obra, bem como das edificações sobrejacentes. Como complemento, esteve sempre presente uma equipa do Projecto com o objectivo de efectuar o acompanhamento geotécnico da obra, para a tomada de decisões à medida do avanço dos trabalhos.

6.1. Galeria de Acesso ao Cais.

A escavação da Galeria de Acesso foi dividida em três secções, uma correspondente à meia secção superior e as restantes às duas fases do rebaixo. O avanço da escavação na meia secção superior foi de 0,8 a 1,0 m, deixando-se um núcleo central de comprimento igual a três avanços do contorno. O núcleo era demolido em simultâneo com o avanço da frente. Em todos os avanços, e após a escavação, aplicava-se uma camada de 4 cm de betão projectado seguido da colocação da cambota treliçada (330 X 330 mm) e do seu preenchimento com betão. O ciclo construtivo completava-se com a execução do arco invertido provisório após 5 avanços da frente, composto por malha electrosoldada e betão projectado. Nas duas fases do rebaixo, o avanço foi de 2,0 m com a escavação alternada em nicho lateral dos hasteais, aplicação do betão projectado de revestimento, dos sequentes segmentos de cambotas e do betão de preenchimento. No primeiro rebaixo, o ciclo completou-se com a execução do arco invertido provisório nos mesmos moldes do realizado na fase da meia secção superior. No segundo rebaixo, finalizou-se o revestimento primário com a execução do arco invertido definitivo aplicando-se os segmentos das cambotas de fecho e do betão projectado. As três fases culminaram com a execução da parede de topo da galeria consistindo na aplicação de pregagens de fibra de vidro, duas camadas de malha electrosoldada e 20 cm de betão projectado.

6.2. Galeria de Cais. A escavação das galerias de Cais Sul e Norte foi parcializada em duas secções, correspondendo à meia secção superior e ao rebaixo. Ao nível da plataforma de trabalho da meia secção superior foi executado um arco invertido provisório para promover o fecho da secção, de modo a garantir condições adequadas de circulação dos equipamentos e a estabilidade da soleira. Antecipadamente, foi providenciado pela Soares da Costa, o aterro da meia secção inferior no interior do túnel em escudo.

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O avanço da escavação, incluindo a aplicação do betão projectado e das cambotas, na meia secção superior foi de 1,25 m em torno das aduelas que formavam o escudo executado pela TBM. Acompanhando o avanço, eram demolidas as aduelas correspondentes à região escavada e tratada. A segunda fase do processo construtivo consistiu na escavação alternada do rebaixo, em nicho lateral dos hasteais, e na continuidade da aplicação do revestimento primário. O faseamento terminou com a escavação e execução do arco invertido definitivo composto por duas camadas de malha electrosoldada e 20 cm de betão projectado.

Fig. 7 – Colocação da cambota na meia secção da Galeria de Acesso.

Fig. 8 – Colocação da cambota de fecho na Galeria de Acesso.

6.3. Galerias Inclinadas. As galerias inclinadas foram genericamente executadas em plena secção deixando-se um núcleo central que era demolido à medida do avanço da frente. O sustimento primário compunha-se pela aplicação inicial de 4 cm de betão projectado, colocação e preenchimento da cambota de secção 220 x 220 mm. O ciclo finalizava-se com a execução do arco invertido definitivo após 4 avanços da frente. 7. EQUIPAMENTOS. Os meios mecânicos utilizados foram dimensionados em função das dimensões das escavações a realizar e das características geotécnicas previstas para o maciço rochoso. Escolheram-se os equipamentos estritamente necessários de maneira a não sobrelotar o reduzido espaço de estaleiro disponível para manobras, movimentação de pessoas e armazenamento de materiais a aplicar na obra.

7.1. Para as escavações. Nas escavações e limpeza da frente de trabalho na meia secção superior da Galeria de Acesso e nas Galerias Inclinadas, utilizou-se uma escavadora Komatsu PC95, apetrechada com cabeça roçadora Schaeff WS30 e martelo demolidor Rammer S25N, sendo a remoção dos produtos escavados até ao balde elevatório de extracção, efectuada por uma mini-pá carregadora Bobcat S220 e/ou um multifunções Manitou SL1337 (fig. 9 e 10).

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Fig. 9 – Escavação da abóbada Galeria de Acesso.

Fig. 10 – Escavação na Galeria Inclinada Norte.

Na Galeria de Cais e nos rebaixos da Galeria de Acesso utilizou-se uma escavadora Komatsu PC210 com martelo demolidor Furukawa, e uma Komatsu PC95. A remoção esteve a cabo de uma pá mineira Toro 150 D e/ou do multifunções Manitou SL1337 (fig.11 e 12).

Fig. 11 – Escavação da meia secção superior da Galeria de Cais Sul.

Fig. 12 – Escavação do rebaixo na Galeria de Cais Norte.

Em zonas do maciço onde foi claramente ultrapassada a capacidade de corte da cabeça roçadora e o limite mínimo de rendimento aceitável dos martelos demolidores hidráulicos, recorreu-se ao emprego de explosivos. Para a execução da furação delineada nos diagramas de fogo, utilizou-se uma máquina perfuradora hidráulica Jumbo H281 Atlas Copco para o desmonte tipicamente subterrâneo, e uma máquina perfuradora pneumática Roc 301 Atlas Copco, para o desmonte em bancada.

7.2. Para o betão projectado. Para aplicação do betão projectado, foi dado preferência ao uso de equipamentos ligeiros que garantissem versatilidade no seu manuseamento e boa produtividade. Para este efeito, utilizou-se um robot de projecção Aliva AL504 e uma bomba Aliva AL263. O ar comprimido necessário para a bombagem da mistura foi fabricado por um compressor eléctrico Atlas Copco GA160. Este compressor estático alimentava uma rede instalada na obra que distribuía o ar comprimido até às frentes de trabalho. No período em que houve simultaneidade da actividade em duas frentes, foi utilizado um segundo conjunto de projecção composto por um robot Aliva AL503, uma bomba Aliva AL262 e um compressor diesel Atlas Copco XHAS365.

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Fig. 13 – Projecção de betão no 2º rebaixo da Galeria de Acesso.

Fig. 14 – Projecção de betão na Galeria Inclinada Sul.

7.3. Ventilação.

Durante a execução da Galeria de Acesso e das Galerias Inclinadas foi instalada ventilação insuflante, através de condutas flexíveis Ø 600 mm, de maneira a fazer chegar ar fresco às frentes de trabalho para eliminar os gases resultantes dos equipamentos a diesel. Utilizaram-se ventiladores axiais da marca Zitron, em série, instalados à superfície. 8. PRINCIPAIS CONDICIONANTES. Para além da exigente complexidade do projecto de execução, foi efectuada uma gestão articulada com a Soares da Costa S.A., de maneira a ultrapassar uma série de condicionantes que influenciaram os rendimentos previstos de avanço nas diferentes galerias, derivados do facto de a obra se situar numa zona densamente urbana (fig. 15). Contribuíram para isso a: - Limitação do ruído produzido pelas máquinas, principalmente durante o período nocturno de laboração, reduzindo substancialmente o grau de liberdade na utilização dos equipamentos; - Limitação horária da detonação das pegas de fogo, apenas possível em período diurno, e o tempo despendido na implementação das indispensáveis medidas de segurança; - Limitação do espaço à superfície para estaleiro e manobra dos equipamentos; - Limitação do espaço no arranque das frentes de trabalho; - Intensidade do tráfego urbano, sobretudo, nas horas de ponta, condicionou o tempo de transporte do betão pelas autobetoneiras, desde a central de betão até à obra; - Afluência significativa de águas subterrâneas durante a escavação, na fase de rebaixo da Galeria de Cais Norte.

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Fig. 15 – Vista da envolvente à obra na superfície.

9. DESMONTE COM RECURSO A EXPLOSIVOS. Para fazer face ao aparecimento na frente de escavação de rocha granítica de boa a razoável qualidade, em secção plena ou em núcleos disseminados, tornou-se indispensável para o prosseguimento dos trabalhos dentro dos ritmos aceitáveis, preterir o método de escavação mecânica (cabeça roçadora/martelo demolidor hidráulico) adoptando outro que recorresse ao emprego de explosivos. O facto de a obra estar localizada no meio de um tecido urbano, composto por prédios antigos e recentes, para uso habitacional e comercial supra-jacentes às galerias, constituiu, à partida, a mais importante condicionante para a viabilização do processo construtivo recorrendo à utilização de explosivos. As zonas do maciço que necessitaram de intervenção a fogo situaram-se nos 1º e 2º rebaixos da Galeria de Acesso e numa extensão inicial da Galeria de Cais Norte.

9.1. Galeria de Acesso. A existência de duas faces livres nos rebaixos da Galeria de Acesso, permitiu eleger o método do desmonte em bancada com as inerentes vantagens de redução das cargas aplicadas e redução das vibrações induzidas nos edifícios. Os furos foram executados com diâmetro de 41 mm, em bancada com 5,0 metros de altura (fig. 16 e 18). A carga foi distribuída ao longo do furo através de separadores de inertes. A carga segmentada foi detonada individualmente através de microretardos distintos com detonadores não eléctricos incrementados por um ligador à superfície de 42 milisegundo de intervalo entre furos. Este método permitiu assegurar uma carga momentânea inferior à carga máxima estimada e avaliada em estudo prévio.

9.2. Galeria de Cais Norte.

A intervenção com recurso a explosivos na execução desta galeria decorreu durante cerca de 6 metros a partir do emboquilhamento na vertical do lado sul da parede do poço da rua Faria Guimarães. Os avanços do desmonte limitaram-se, apenas, a garantir o espaço necessário para a instalação de uma cambota. Para este efeito a escavação foi executada recorrendo a desmonte do tipo mineiro aplicando diagramas de fogo de furos horizontais paralelos em torno do túnel em escudo (fig. 17). Os furos executados com diâmetro de 38 mm e 1,20 m de comprimento foram carregados com cartuchos de Gelamonite. As cargas escorvadas com detonadores não eléctricos tinham incremento exterior de 25 milisegundo permitindo, deste modo, detonar mais de 130 furos por pega, resultando numa indução das vibrações nas edificações inferior à velocidade vibratória máxima admissível (10 mm/s).

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Fig. 16 – Esquema da furação na Gal. de acesso.

Fig. 17 – Esquema da furação na Galeria de Cais Norte.

Fig. 18 – Pega de fogo no 2º rebaixo da Galeria de Acesso.

Fig. 19 – Carregamento da pega de fogo na meia secção da Galeria de Cais Norte.

10. RENDIMENTOS. Os trabalhos contratados iniciaram-se em 31 de Março de 2004 e finalizaram em 21 de Julho de 2005. Os rendimentos obtidos em obra foram distintos, consoante as frentes de trabalho e as fases de execução de cada galeria. Assim, os rendimentos efectivos conseguidos para as fases de escavação e de aplicação dos revestimentos primários, excluindo o tempo gasto nas pré-consolidações na envolvente e frente de escavação foram os seguintes:

• Galeria de Acesso 0,27 ml/dia - Meia secção 0,63 ml/dia - 1º Rebaixo 0,94 ml/dia - 2º Rebaixo 0,95 ml/dia • Galeria de Cais Sul 0,47 ml/dia - Meia secção 0,70 ml/dia - Rebaixo 1,39 ml/dia • Galeria de Cais Norte 0,26 ml/dia - Meia secção 0,39 ml/dia

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- Rebaixo 0,80 ml/dia • Galeria inclinada Norte 0,73 ml/dia • Galeria inclinada Sul 0,86 ml/dia

11. CONSIDERAÇÕES FINAIS. Como resultado da má qualidade geológico-geotécnica do maciço granítico, do exigente projecto de execução e da localização da obra, previa-se à partida um panorama bastante complexo. A selecção de meios mecânicos versáteis e funcionais, bem como a aptidão para encontrar soluções de execução mais ajustadas às particularidades da geometria das escavações e dos terrenos encontrados, revelaram-se adequadas na resolução dos condicionamentos em tempo útil. AGRADECIMENTOS O autor agradece à SDC na pessoa do Sr. Eng.º Carlos Branco a colaboração prestada, à TRANSMETRO e à gerência da EXPLO a autorização para publicar este artigo. DOCUMENTOS DE REFERÊNCIA Normetro. Transmetro. Estação de Faria Guimarães - Modelo geológico e geotécnico. Memória descritiva. (2001/2002). Pinto, J. M. Santos – Estudo para escavação com recurso a explosivos na Estação de Faria Guimarães. EXPLO Lda. Janeiro 2004.