Escavação Mecanizada de Túneis em Rocha com Tunnel ...€¦ · Escavação Mecanizada de Túneis em Rocha com Tunnel Boring Machine (TBM) Dissertação de Mestrado Dissertação

Houseman Miguel Arroyo Castro

Escavação Mecanizada de Túneis em Rocha com Tunnel Boring Machine (TBM)

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.

Orientador: Prof. Sergio Augusto Barreto da Fontoura

Rio de Janeiro Fevereiro de 2015

DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 1213375/CA


Escavação Mecanizada de Túneis em Rocha com Tunnel Boring Machine (TBM)

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil do Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.

Prof. Sergio Augusto Barreto da Fontoura Orientador

Departamento Engenharia Civil – PUC-Rio

Prof.ª Anna Laura Lopes da Silva Nunes Universidade Federal do Rio de Janeiro

Prof.ª Raquel Quadros Velloso Departamento Engenharia Civil – PUC-Rio

Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro

Técnico Científico – PUC-Rio

Rio de Janeiro, 06 de fevereiro de 2015


CDD: 624

Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador.


Graduou-se em Engenharia Civil na Universidade de Costa Rica (UCR) em 2011, com especialidade nas áreas de Estruturas, Geotecnia e Administração da construção. Trabalhou durante dois anos na área privada na Costa Rica, exercendo os cargos de engenheiro de projeto e desenhista em obras de estabilização de encostas na firma Ingeotec S.A, engenheiro desenhista no departamento de infraestrutura civil da firma PIASA Consultores, e como engenheiro de projeto em um complexo habitacional de alto padrão. Atualmente realiza o Mestrado em Engenharia Civil na PUC-Rio com especialização na área de Geotecnia.

Ficha Catalográfica

Castro, Houseman Miguel Arroyo

Escavação mecanizada de túneis em rocha com Tunnel Boring Machine (TBM) / Houseman Miguel Arroyo Castro ; orientador: Sergio Augusto Barreto da Fontoura. – 2015.

281 f. : il. (color.) ; 30 cm

Dissertação (mestrado)–Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, 2015.

Inclui bibliografia 1. Engenharia civil – Teses. 2. Tunnel Boring Machine

(TBM). 3. Túneis. 4. Maciços rochosos. 5. Boreability. 6. Ensaios de abrasividade. 7. Taxa de penetração. 8. Taxa de avanço. 9. Métodos de estimativa do desempenho. I. Fontoura, Sergio Augusto Barreto da. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título.


Primeiramente a Deus, fonte de tudo o que eu sou.

Aos meus amados pais Miguel e Carmen. Aos meus caros irmãos Lorenzo, Bryan e Nolan.

Aos meus sobrinhos Donovan, Sebastian e Neythan. Aos meus seres queridos e amigos,

companheiros de todas as horas.


Agradecimentos

Primeiramente agradeço a Deus por esta oportunidade que me concedeu, por seu amor incondicional e pela vida, e por tantas pessoas especiais que tem colocado ao longo do meu caminho. Jesus eu confio em Vos, e este triunfo coloco-o ao teu dispor.

Ao meu caro orientador Prof. Sérgio A. B. da Fontoura, por sua valiosa ajuda e orientação na realização deste trabalho, pelos seus ensinamentos e seu vital apoio nas dificuldades. Que Deus lhe abençoe e guie no seu caminho de docente e profissional da engenharia.

Aos caros membros da banca examinadora: Prof.ª Anna Laura Nunes, Prof.ª Raquel Velloso e Prof. Alberto Sayão. Muito obrigado pela valiosa participação na avaliação do presente trabalho, e, pela ajuda e correções que permitiram aperfeiçoá-lo ainda mais. Que Deus lhes abençoe sempre.

Ao CNPq e à PUC-Rio, pelos auxílios concedidos, sem os quais este trabalho não poderia ter sido realizado.

Aos engenheiros Jamal Rostami, Amund Bruland e Arild Palmström, pela ajuda e disposição, e por me facilitarem suas respectivas teses, referentes ao tema de estudo desta dissertação.

Aos professores e funcionários do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio, muito obrigado pelos ensinamentos e ajuda ao longo desta experiência de vida e de formação profissional. Sem vocês este sonho não teria se materializado, que Deus lhes abençoe e guie sempre.


Aos meus amados pais Carmen Mayela Castro Cambronero e Miguel Sebastian Arroyo Torres, razão da minha existência. Muito obrigado pela vida, pelo amor e apoio incondicional. Sou grato pelos muitos valores que me transmitiram, em especial por me incentivarem sempre a lutar pelos meus sonhos e dar o meu melhor. Também aos meus amados irmãos Lorenzo, Bryan e Nolan, e, meus três lindos sobrinhos Donovan, Sebastian e Neythan. Amo vocês com todo o meu coração e este triunfo o dedico a todos vocês, minha amada família.

À minha cara família brasileira, à família Nazareno de Brito. Muito obrigado pelo apoio e carinho, pelos cuidados e atenções e pelo seu amor. A Rosimeire (Rosita), Rosiane, Rosadilma, Rozania, Rosilma, minhas caras irmãs. Também ao Zé, ao senhor Ilário e meus caros sobrinhos. Muito obrigado por tudo, vocês sempre estarão no meu coração, nos meus pensamentos e nas minhas orações.

Às caras irmãs da Assunção e todo o pessoal do CENAM que me acolheram de forma tão carinhosa ao chegar no Brasil. Deus lhes abençoe sempre e que Santa Maria Eugênia continue lhes guiando na extensão do Reino de Deus. Levo vocês no meu coração, pois um sulco ficou marcado em mim com muito amor.

À Claudia Dominguez Malpica, muito obrigado pelo amor, apoio, companhia, e, por tantos belos e memoráveis momentos que compartilhamos juntos.

À família Sanchez Carvajal, muito obrigado pelo amor e apoio, que Deus lhes abençoe sempre. De maneira especial à Bernardita, José e Suly, muito obrigado por me permitir formar parte da sua família.

A todos meus familiares que, desde Costa Rica, me acompanharam e me motivaram a seguir adiante, foram inúmeras as vezes que as palavras de motivação, as ligações de madrugada, e as mostras de amor se tornaram forças para prosseguir. Depois destes anos de muito esforço longe de casa, finalmente conseguimos alcançar este triunfo, que é todo nosso.

Aos meus caros amigos e colegas da PUC-Rio por todo seu apoio, pela parceria e ajuda ao longo destes anos. Especialmente aos meus irmãos da comunidade Sinai, em particular a Jimmy Vasquez, muito obrigado pelas orações e companhia na fé e na vida estudantil nestes anos na PUC-Rio.

Ao padre Brito e a todos meus caros amigos da paróquia Santa Teresa. Especialmente aos meus amigos do grupo jovem STJ, do grupo jovem da Assunção, e das comunidades dos Prazeres e Nossa Senhora das Graças.

À Universidade da Costa Rica (UCR), em especial a escola de Engenharia Civil e aos meus caros professores da graduação, de modo especial ao Prof. Sergio Sáenz, ao Prof. Marco Valverde e ao Prof. William Vargas. Muito obrigado pelos ensinamentos e pelo apoio durante minha formação acadêmica e profissional, e por fomentar meu interesse na área de Geotecnia.

A todas as pessoas que de formas variadas me estimularam a seguir adiante, a través de mensagens, palavras de carinho, em fim, gestos simples, porém muito significativos. Muito obrigado, e que Deus lhes abençoe eternamente.


Resumo

Arroyo Castro, Houseman Miguel; Fontoura, Sergio Augusto Barreto da. Escavação Mecanizada de Túneis em Rocha com Tunnel Boring Machine (TBM). Rio de Janeiro, 2015. 281p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Na atualidade cada vez mais o espaço superficial disponível é limitado por

condições próprias do entorno, especialmente nas grandes cidades, de forma

que o aproveitamento do espaço subterrâneo não é mais uma alternativa e sim

uma necessidade para o crescimento das cidades, para melhorar as condições

de vida da população e para minimizar os impactos ambientais dos projetos

necessários para estes fins. Neste contexto, a escavação mecanizada de túneis

tem-se tornado cada vez mais comum, especialmente em áreas urbanas, onde o

uso dos métodos de escavação convencional resulta inadequado. Um aspecto

importantíssimo ao avaliar o uso desta tecnologia consiste em prever o

desempenho das Tunnel Boring Machines (TBMs) para as condições específicas

do projeto, de forma que o cronograma de obra e os custos possam ser

estimados com precisão suficiente. Este trabalho expõe inicialmente uma breve

resenha da história e evolução das TBMs no mundo. Posteriormente, são

discutidos os mecanismos de corte, as características dos cortadores, da

máquina TBM e as propriedades da rocha que intervém no desempenho.

Também se apresentam os testes mais utilizados para caracterizar projetos

executados com esta tecnologia. São expostos alguns dos métodos mais

difundidos no mundo para a determinação do desempenho de TBMs.

Finalmente, o método desenvolvido na Escola de Minas do Colorado (Colorado

School of Mines - CSM) foi incorporado numa planilha de cálculo e foram

avaliados dois casos práticos documentados na literatura (com face homogênea)

e dez casos sintéticos que incorporam a presença da condição de face mista.

Palavras-chave Tunnel Boring Machine (TBM); Túneis; maciços rochosos; boreability;

ensaios de abrasividade; taxa de penetração; taxa de avanço; métodos de estimativa do desempenho.


Abstract

Arroyo Castro, Houseman Miguel; Fontoura, Sergio Augusto Barreto da (Advisor). Mechanical Excavation of Tunnels in Rock with Tunne l Boring Machine (TBM). Rio de Janeiro, 2015. 281p. MSc. Dissertation - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Currently more and more of the surface space is seen limited by specific

conditions of the environment, especially in large cities. Due of that, the use of

underground space is no longer an alternative but a necessity for the growth of

the cities, for the improvement of people's livelihood and to minimize the

environmental impacts of the necessary projects for these purposes. In this

context, mechanized excavation has become increasingly common, especially in

urban areas, where the use of conventional excavation methods is inappropriate.

An important aspect to evaluate the use and efficacy of this technology is to

predict the performance of TBMs for the specific conditions of a project, so that

the work schedule and costs can be estimated with sufficient accuracy. First, in

this work, is presented a brief review of the history and evolution of TBMs around

the world. Cutting mechanisms and the characteristics of the cutters, the machine

and the properties of the rock that influence the performance of a TBM are

discussed. Also the most widely used tests for characterizing designs run with

this technology are discussed and some of the world's most widespread methods

for determining the performance of a TBM are exposed too. Finally, the method

developed at the Colorado School of Mines (CSM) was incorporated into a

spreadsheet and used to analyze two practical cases documented in the

literature (with homogeneous surface) and ten synthetic cases that incorporate

the presence of a mixed face condition.

Keywords

Tunnel boring machine (TBM); Tunnels, rock mass; boreability; abrasion tests; penetration rate; advances rate; performance prediction methods.


Sumário

1. Introdução 27

1.1. Justificativa 28

1.1.1. O problema em estudo 28

1.1.2. Importância 29

1.2. Objetivos 30

1.2.1. Objetivo geral 30

1.2.2. Objetivos específicos 30

1.3. Delimitação do problema 31

1.3.1. Alcance 31

1.3.2. Limitações 32

1.4. Metodologia 32

1.4.1. Fase Teórica 33

1.4.2. Fase de Modelagem 33

1.4.3. Fase de Análise 33

2. Antecedentes históricos e aspectos gerais da escavação mecanizada 34

2.1. Projetos de túneis escavados com TBM no mundo 50

2.2. Obras subterrâneas no Brasil e as máquinas TBM 53

2.3. Escavação mecanizada com TBM vs. métodos convencionais 57

3. Fragmentação da rocha, ferramentas de corte e tipos de TBMs 62

3.1. Mecanismos de corte em rocha 63

3.2. Ferramentas de corte para rocha 76

3.2.1. Discos de corte 76

3.2.2. Discos undercutting 86

3.2.3. Discos undercutting oscilatórios (ativados) 88

3.3. Desgaste e vida útil das ferramentas de corte 90

3.3.1. Ensaios para determinar a abrasividade da rocha e o desgaste das

ferramentas de corte 94

3.4. Tipos de máquinas TBM 100

3.4.1. TBM Gripper (TBM-G) 102

3.4.2. TBM com shield sem suporte da frente de escavação (TBM-S) 107


3.4.3. TBM de shield duplo (Double-shield) 110

3.4.4. TBM-S com lodos para suporte da frente (TBM-S4) 112

3.4.5. TBM-S com balanço de pressão de terras (EPB) para suporte da frente

(TBM-S5) 115

3.4.6. TBM de modo conversível 118

3.4.7. Revestimento 119

3.4.8. TBMs e as novas tecnologias 123

4. Estimativa do desempenho de TBMs: modelos disponíveis para a avaliação do

desempenho de TBMs em rocha 125

4.1. Penetração, taxa de penetração, taxa de avanço e porcentagem efetiva de

utilização de uma máquina TBM 126

4.2. Parâmetros que afetam o desempenho de TBMs 137

4.2.1. Propriedades da rocha intacta 138

4.2.2. Propriedades do maciço rochoso 139

4.2.3. Tipo de cortador e geometria de corte 141

4.2.4. Especificações e parâmetros operacionais da TBM 142

4.3. Ensaios utilizados para projetos com TBMs 142

4.3.1. Ensaios convencionais 144

4.3.2. Ensaios específicos 144

4.4. Modelos disponíveis para a avaliação da penetração e o desempenho de

TBMs 156

4.4.1. Modelo do CSM (Colorado School of Mines) ou método das forças 158

4.4.2. Modelo do NTNU (Norwegian University of Science and Technology

Trondheim) 167

4.4.3. Modelo baseado no Índice do Maciço Rochoso (Rock Mass Index, RMi)186

4.4.4. Modelo de Ernst Büchi 195

4.4.5. Modelo da Luleå University of Technology 196

4.4.6. Modelo de Nelson 197

4.4.7. Modelo da Universidade Tecnológica de Delft 198

4.4.8. Sistema QTBM 199

4.4.9. Modelos numéricos 206

4.4.10. Outros modelos 206

5. Aplicação do método do CSM para o estudo de dois casos práticos e um caso

sintético com face mista 210

5.1. Método selecionado para realizar a modelagem 210


5.2. Estudo de casos práticos 216

5.2.1. Caso 1: Túnel de metrô Otogar-Bagcilar 217

5.2.2. Caso 2: Túnel de esgoto Tuzla-Dragos 228

5.3. Análise de casos sintéticos com face de escavação mista 238

5.3.1. Especificações técnicas da TBM, parâmetros dos materiais e geometria

dos casos 238

5.3.2. Modelagem e resultados 241

5.4. Análise dos resultados 261

5.4.1. Análise dos casos práticos 261

5.4.2. Análise dos casos sintéticos com face mista 266

6. Conclusões e recomendações 272

7. Referências bibliográficas 277


Lista de figuras

Figura 1-1. Metodologia proposta. 32

Figura 2-1. Shield por M. I. Brunel, 1806 (Maidl et al, 1996). 34

Figura 2-2. Maquete e vista lateral do shield de Brunel (Sánchez, 2013 e

Santoyo, 2013). 35

Figura 2-3. Perspectiva do Shield desenhado por Brunel (baseado em Sánchez,

2013). 35

Figura 2-4. Screw Shield (tipo parafuso) por M. I. Brunel, 1806 (Maidl et al.,

1996). 36

Figura 2-5. Túnel de Brunel construído sob o Rio Tamisa na década de 1830-

Londres, UK: a)1995 e b) 1997-Túnel após reabilitação com revestimento

interno em concreto moldado (Sauer e Mergelsberg, 2004). 36

Figura 2-6. Máquina tuneladora “Mountain Slicer” de H.-J. Maus, Túnel Monte

Cenis, 1846 (Maidl et al., 2008). 38

Figura 2-7. Primeira TBM de Wilson, Túnel Hoosac, 1853 (Maidl et al., 2008). 39

Figura 2-8. Desenvolvimentos adicionais para TBM por Wilson, U.S. patente No.

17650, 1875 (Maidl et al., 2008). 41

Figura 2-9. Máquina de túneis com cabeça de perfuração e braços oscilantes de

corte por E. Talbot, U.S. patente No. 9774, 1853 (Maidl et al., 2008). 41

Figura 2-10. Máquina tuneladora por Cooke e Hunter U.K. patent No. 433, 1866

(Maidl et al., 2008). 42

Figura 2-11. TBM por Beaumont U.K. patent No. 4166, 1863 (Maidl et al., 2008).

42

Figura 2-12. TBM por Beaumont/English, ɸ 2.13m, túnel Channel, 1882 (Maidl et

al., 2008). 42

Figura 2-13. Máquina de corte de galeria “Eiserner Bergmann” 1916/17 de

Schmidt, Kranz et al. (Maidl et al., 2008). 43

Figura 2-14. Construção do túnel do Rio St. Clair, fim do século XIX (Da Cruz,

2006). 43

Figura 2-15. Máquina de corte de galeria de Schmidt, Kranz et al., ɸ 3 m, 1931

(Maidl et al., 2008). 44

Figura 2-16. TBM por Whitaker, ɸ 3,6 m, 1922 (Maidl et al., 2008). 44

Figura 2-17. TBMs de Robbins: a) Primeira TBM Robbins, modelo 910-101,

Barragem Oahe, ɸ 8 m, 1953 e b) Primeira TBM Gripper moderna von J.S.


Robbins, modelo 910-101131-106, túnel de esgoto no Rio Humber (Toronto,

Canada), ɸ 3,27 m, 1957 (Maidl et al., 2008). 45

Figura 2-18. Primeiros desenvolvimentos de TBMs na Europa: a) máquina de

corte SBM 720 da galeria Wohlmeyer (Ӧsterreichisch Alpine Montan-

Gesellschaft), ɸ 3 m, 1958 e b) TBM SVM 40 (Bade) operada na indústria

de mineração de carvão, ɸ 4 m, 1961 (Maidl et al., 2008). 46

Figura 2-19. Tipos especiais de TBM Wirth: a) TBM para galeria inclinada TB II-

300 E, túnel de pressão Emosson, ɸ 3 m, 1968 e b) TBM de alargamento

TBE 770/1046 H, túnel Sonnenberg, ɸ 7.70 m/10.46 m, 1969 (Maidl et al.,

2008). 47

Figura 2-20. TBM com shield: a) TBM de shield simples, túnel Gubrist, ɸ 11,50

m, 1980 e b) TBM de shield duplo, túnel de pressão Sila, ɸ 4,32 m, 1972

(Maidl et al., 2008). 48

Figura 2-21. Inovações futuras (Maidl et al., 2008). 49

Figura 2-22. Evolução das máquinas TBM utilizadas no Brasil (Rocha, 2012). 54

Figura 2-23. Revestimento de aduelas de concreto pré-moldadas. Túnel do

metrô Linha 4 amarela, São Paulo (Palma et al., 2014). 54

Figura 2-24. TBM Anita, primeira TBM de shield duplo para rocha utilizada no

Brasil (Rocha, 2012). 55

Figura 2-25. TBM Robbins para Linha 3 leste do metrô de Fortaleza, Ceará

(Palma et al., 2014). 56

Figura 2-26. Relação entre o custo total dos diferentes métodos de escavação e

a extensão do túnel (Palma et al., 2014). 60

Figura 2-27. Relação entre o custo unitário e a extensão do túnel para

escavação mecanizada e o método tradicional (modificado de Sauer e

Mergelsberg, 2004). 60

Figura 2-28. Comparação hipotética segundo Barton do método D&B vs.

escavação com TBM (Nord, 2006). 61

Figura 3-1. Penetração (i0) e indentação (ip) de um disco de corte (Bruland,

2000). 62

Figura 3-2. Efeito de corte de um bit de arraste, a) afiado b) com desgaste

(Ramezanzadeh e Hood, 2010). 64

Figura 3-3. Anel de corte: a) seção de cunha ou perfil “V” e b) de seção

constante ou CCS (Bruland, 2000). 65

Figura 3-4. Mecanismo de fragmentação e desenvolvimento de uma zona

esmagada e trincada sob um disco de corte (Cho et al., 2010). 66


Figura 3-5. Arranjo dos discos cortadores na cabeça de corte e sulcos de corte

(Wittke et al., 2007). 67

Figura 3-6. Frente de escavação e sulcos de corte dos discos na frente de

escavação temporal, Túnel Freudenstein, Alemanha (1991) (Wittke et al.,

2007). 68

Figura 3-7. Principio do fenômeno de chipping entre discos vizinhos (Bruland,

2000). 68

Figura 3-8. Processo de corte de uma TBM (Heiniö, 1999). 69

Figura 3-9. Chip formado por três passadas de um disco de corte: 1) Extensão

da fratura após a 1ra passada; 2) Após 2da; 3) Fratura completa, e

desprendimento do chip após a 3ra passada (Bruland, 2000). 70

Figura 3-10. Seções transversais de fragmentos coletados durante um ensaio de

penetração (Bruland, 2000). 71

Figura 3-11. Fragmentação (Chipping) completa entre dois cortadores. (Bruland,

2000). 72

Figura 3-12. Fragmentação consecutiva entre dois cortadores (Bruland, 2000). 72

Figura 3-13. Curvas granulométricas normalizadas para TBMs de duas gerações

distintas (Bruland, 2000). 73

Figura 3-14. Energia específica durante um ensaio de penetração. (Bruland,

2000). 73

Figura 3-15. Curva típica da relação S/P vs. Energia especifica (Cigla e Ozdemir,

2000). 74

Figura 3-16. Efeito da razão s/p na eficiência de corte. 74

Figura 3-17. Variação das forças de corte com a penetração (modificado de

Gertsch et al., 2002). 75

Figura 3-18. Efeito do espaçamento nas forças de corte (modificado de Rostami,

1997). 75

Figura 3-19. Disco de corte simples com anel de aço (Bruland, 2000). 77

Figura 3-20. Forças direcionais de corte (Cho et al., 2010). 77

Figura 3-21. Variação geral das forças normal (Fn) e de rolamento (Fr) nos

cortadores em função da penetração para rochas de resistência baixa e alta


Figura 3-22. Penetração como função da força de corte (Fc) e a resistência à

compressão simples (σc) da rocha (Girmscheid, 2005 citado por Wittke et

al., 2007). 78

Figura 3-23. Penetração como função da força de corte e o espaçamento entre


sulcos e o desgaste dos discos para um quartzito, Grupo Wirth, Alemanha


Figura 3-24. Força de corte FC em função do diâmetro do disco, Grupo Wirth,

Alemanha (Wittke et al., 2007). 80

Figura 3-25. Volumem de uso do anel de corte: 432 mm (17”) vs. 483 mm (19”)

(Roby et al., 2008). 83

Figura 3-26. Exemplo do fenômeno wipeout (Roby et al., 2008). 83

Figura 3-27. Volume de uso do anel de corte: 483 mm (19”) vs. 500mm mm (20”)

(Roby et al., 2008). 85

Figura 3-28. Fragmentação de rocha usando a técnica de undercutting. (Wittke

et al., 2007). 86

Figura 3-29. Gradação do material escavado em função do tipo de técnica de

corte utilizada (Wittke et al., 2007). 87

Figura 3-30. Cabeça de corte da TBE 500 Wirth (Tunnel Boring Extender) e

frente do túnel e discos undercutting (Ramezanzadeh e Hood, 2010). 88

Figura 3-31. Disco de corte undercutting oscilatório ou ativado (Ramezanzadeh e

Hood, 2010). 88

Figura 3-32. Forças de corte medidas em mármore mostrando a influência da

oscilação e frequência dos cortadores (Ramezanzadeh e Hood, 2010). 90

Figura 3-33. Diferentes formações na face de escavação (condição de face

mista) (Wittke et al., 2007). 91

Figura 3-34. Danos nos discos de corte por sobre-esforço sob condições de face

mista (Wittke et al., 2007). 91

Figura 3-35. Relação entre a vida (m3) dos discos de 432 mm (17”) a UCS e o

CAI (Wittke et al., 2007). 93

Figura 3-36. Aparato tipo West para determinação do CAI (Wittke et al., 2007). 95

Figura 3-37. Teste CAI (West, 1989): a) pino de aço antes do teste e b)

espessura (dc) do pino de aço após o teste (Wittke et al., 2007). 95

Figura 3-38. Valores do CAI para distintos tipos de rochas intactas Büchi (1984)


Figura 3-39. Esquema geral do aparelho utilizado no teste para determinar AV e

AVS (Dahl et al., 2011). 98

Figura 3-40. Valores do AV para algumas rochas (Dahl et al., 2011). 100

Figura 3-41. Valores do AVS para algumas rochas (Dahl et al., 2011). 100

Figura 3-42. Classificação de máquinas tuneladoras de seção plena (modificado

de Wittke et al., 2007). 101


Figura 3-43. Classificação do Shield híbrido (Zhao, 2012). 102

Figura 3-44. TBM Gripper, (TBM-G) (Wittke et al., 2007). 103

Figura 3-45. Componentes de uma TBM Gripper com shield parcial (TBM-G-S)

com sistema simples de pinças, Herrenknecht (Wittke et al., 2007). 103

Figura 3-46. TBM Gripper com sistema de pinças simples, Robbins (Wittke et al.,

2007). 104

Figura 3-47. TBM Gripper com shield parcial (TBM-G-S), sistema de pinças

duplo e travamentos, Wirth (Wittke et al., 2007). 104

Figura 3-48. Ciclo de corte de uma TBM Gripper: a) fase de avanço, extensão

das pinças, recolhimento da pata posterior e b) reposicionamento do

conjunto de pinças, pinças retraídas, pata posterior estendida (Wittke et al.,

2007). 105

Figura 3-49. TBM com shield, TBM-S (Wittke et al., 2007). 108

Figura 3-50. TMB-S Túnel Adler, Suíça (Wittke et al., 2007). 108

Figura 3-51. Ciclo de corte de uma TBM com shield simples: a) fase de avanço e

b) Instalação do segmento do revestimento (Wittke et al., 2007). 109

Figura 3-52. Perfuradoras de avanço para instalação de tirantes e exploração: a)

arranjo potencial das perfurações; b) abertura no shield e c) equipamento

de perfuração (Wittke et al., 2007). 109

Figura 3-53. TMB Wirth de shield duplo, projeto Lesotho, Alemanha (Wittke et al.,

2007). 110

Figura 3-54. Ciclo de corte de uma TBM com shield duplo: a) avanço e

instalação do segmento do revestimento e b) empuxo para frente do shield

cauda com as pinças retraídas (Wittke et al., 2007). 111

Figura 3-55. TBM-S com lodos para suporte da frente, TBM-S4 (Wittke et al.,

2007). 112

Figura 3-56. Princípio do suporte do Shield de lodos na frente de escavação

(Wittke et al., 2007). 113

Figura 3-57. Cabeça de corte da TBM-S4 utilizada no trem metropolitano

subterrâneo em Muhlheim, Alemanha (Wittke et al., 2007). 114

Figura 3-58. Faixa de aplicação da SM-V4 em solo (Wittke et al., 2007). 114

Figura 3-59. TBM-S5 Túnel Katzenberg, Alemanha (Wittke et al., 2007). 115

Figura 3-60. TBM-S com suporte de frente EPB, TBM-S5 (Wittke et al., 2007).

116

Figura 3-61. Princípio do suporte de frente EPB (TBM-S5) (Wittke et al., 2007).

116


Figura 3-62. Gama de aplicação de uma SM-V5 (Wittke et al., 2007). 117

Figura 3-63. Cabeça de corte da TBM Herrenknecht de Shield misto (Mix Shield),

projeto Socatop, Paris (Wittke et al., 2007). 119

Figura 3-64. As TBMs e os tipos de revestimento (Wittke et al., 2007). 120

Figura 3-65. Revestimento com segmentos de bloco (Wittke et al., 2007). 121

Figura 3-66. Conicidade dos anéis segmentares: a) Tipos de anéis; b) relação

entre a conicidade e o raio mínimo de curvatura do túnel (Wittke et al.,

2007). 122

Figura 3-67. Representação esquemática do arranjo de anéis cônicos direitos e

esquerdo: a) representação tridimensional; b) planta e c) lateral (Wittke et

al., 2007). 122

Figura 3-68. TBMs de seção tripla: a) vista frontal e b) primeira TBM Tri-face do

mundo utilizada no metrô de Osaka (Hitachi) (Zhao, 2012 e

http://www.kajima.com). 123

Figura 3-69. Esquema de uma TBM de seção retangular (Zhao, 2012). 124

Figura 4-1. Desempenho bruto (IG) como função do nível de utilização (U%)

(Wittke et al., 2007). 128

Figura 4-2. Exemplos do tempo necessário para diferentes atividades em

escavação com TBMs relacionado ao tempo de funcionamento: a) TBM-G

em gnaisse; b) TBM-G em arenito e marga (marl); c) TBM-G; d) TBM-G; e)

TBM-S em molasse e f) TBM-S4 em argilito e arenito (Wittke et al., 2007).

129

Figura 4-3. Influência do tipo de suporte utilizado sobre o desempenho bruto de

uma TBM-G (Schmid, 2004 citado por Wittke et al., 2007). 130

Figura 4-4. Cronograma e desempenho da TBM utilizada no Túnel Adler, Suíça

(Wittke et al., 2007). 130

Figura 4-5. Desempenho bruto e líquido obtido com uma TBM-S (Wittke et al.,

2007). 131

Figura 4-6. Cálculo do tempo para reparo e manutenção da TBM (TTBM), do

backup (Tbak) e tempo adicional para outras atividades (Ta) em função da

taxa líquida de penetração (modificado de Bruland, 2000). 134

Figura 4-7. Tempo semanal disponível (Te) em função do tempo total semanal

(Tu) (Bruland, 2000). 135

Figura 4-8. Influência da orientação da xistosidade sobre a penetração, (Buchi,

1984): a) O ângulo entre o eixo da galeria de acesso e o plano da

xistosidade (S) e b) penetração (p) como uma função de ɛ (Wittke et al,


2007). 140

Figura 4-9. Influência do espaçamento (d) das descontinuidades paralelas por

acamamento sobre a penetração (p) durante a escavação com TBM

(Gehring, 1997 citado por Wittke et al, 2007). 140

Figura 4-10. Aparato do teste de penetração Punch (Punch penetration test) e

preparação da amostra (modificado de Ozdemir e Nilsen, 1999). 146

Figura 4-11. Esquema do teste do Valor de fragilidade da rocha (Brittleness

Value, S20) (Dahl et al., 2011). 147

Figura 4-12. Valores do S20 para algumas rochas (Dahl et al., 2011). 148

Figura 4-13. Esquema geral do aparelho utilizado no teste para determinar o SJ

(Dahl et al., 2011). 149

Figura 4-14. Valores do SJ para algumas rochas (Dahl et al., 2011). 150

Figura 4-15. Gráfico para a determinação do DRI (Bruland, 2000). 151

Figura 4-16. Gráfico para a determinação do BWI (Bruland, 2000). 151

Figura 4-17. Máquina de corte linear (LCM) e as unidades de suporte (Cho et al.,

2010). 153

Figura 4-18. Imagens de alta definição do fenômeno de Chipping durante um

ensaio de corte linear LCT, Linear Cutting Test (Cho et al., 2010). 154

Figura 4-19. Máquina de corte rotativa (Rotary Cutting Machine, RCM) do CSM

(modificado de Ozdemir e Nilsen, 1999). 155

Figura 4-20. Seção transversal da área de contato entre o disco de corte e a

rocha e a condição de carregamento (baseado em Rostami, 1997). 160

Figura 4-21. Fluxograma de aplicação do modelo do CSM a partir do layout da

cabeça de corte (baseado em Rostami, 2015). 164

Figura 4-22. Fator de ajuste da fragilidade da rocha no modelo MCSM

(modificado de Yagiz et al., 2010). 166

Figura 4-23. Fator de ajuste para propriedades do maciço rochoso no modelo

MCSM (modificado de Yagiz et al., 2010). 166

Figura 4-24. Forma geral de uma curva de penetração (modificado de Bruland,

2000). 167

Figura 4-25. Gráficos de alguns ensaios de penetração (modificado de Bruland,

2000). 168

171

Figura 4-26. Grau de fraturamento de alguns tipos de rocha (Bruland, 2000). 171

Figura 4-27. DRI de alguns tipos de rocha (Bruland, 2000). 172

Figura 4-28. CLI de alguns tipos de rocha (Bruland, 2000). 172


Figura 4-29. Empuxo médio bruto máximo recomendado. (modificado de

Bruland, 2000). 174

Figura 4-30. Velocidade de giro da cabeça de corte (RPM) (modificado de

Bruland, 2000). 174

Figura 4-31. Quantidade padrão de cortadores na cabeça de corte (modificado

de Bruland, 2000). 175

Figura 4-32. Potência instalada na cabeça de corte (modificado de Bruland,

2000). 175

Figura 4-33. Empuxo crítico (M1) em função do fator equivalente da fratura

(modificado de Bruland, 2000). 176

Figura 4-34. Coeficiente de penetração (b) em função do fator equivalente da

fratura (modificado de Bruland, 2000). 176

Figura 4-35. Fator de fraturamento e fator de correção para DRI ≠ 50 (modificado

de Bruland, 2000). 178

Figura 4-36. Influência da porosidade no fator de fraturamento equivalente do

maciço rochoso (modificado de Bruland, 2000). 179

Figura 4-37. Penetração básica (i0) para diâmetro do disco (dc) de 483 mm e

separação entre cortadores (ac) de 70 mm como função do empuxo

equivalente (Mekv) e do fator de fraturamento equivalente do maciço rochoso

(kekv) (modificado de Bruland, 2000). 179

Figura 4-38. Fator de correção para o diâmetro do cortador, dc ≠ 483 mm


Figura 4-39. Fator de correção para o espaçamento entre cortadores, ac ≠ 70 mm


Figura 4-40. Vida útil média (H0) dos anéis do corte em função do Índice de Vida

dos Cortadores (CLI) (baseado em Bruland, 2000). 181

Figura 4-41. Fator de correção para o diâmetro da TBM (baseado em Bruland,

2000). 182

Figura 4-42. Quantidade padrão de cortadores, N0 (baseado em Fullprof, 2000).

183

Figura 4-43. Fator de correção do conteúdo de quartzo (baseado em Bruland,

2000). 183

Figura 4-44. Progresso e taxa de penetração através de uma junta persistente

simples ou MSJ: a) descrição geral da geometria e b) vista 3D (baseado em

Bruland, 2000). 185

Figura 4-45. Principais aspectos do RMi (Palmström, 1995). 186


Figura 4-46. Esquema do Rock Mass index, RMi (Palmström, 1995). 187

Figura 4-47. Agregado de blocos delineados por juntas indicando os parâmetros

selecionados para uma caraterização geral do maciço rochoso (Palmström,

1995). 187

Figura 4-48. Diagrama para determinar o parâmetro das fraturas (JP) a partir do

fator de condição das fraturas (jC) e outras medições da densidade de

fraturas (Vb, Jv, RQD). (Palmström, 1995). 189

Figura 4-49. Esquema do método para estimar a penetração de uma TBM

usando os parâmetros do RMi baseado no modelo do NTNU (Palmström,

1995). 190

Figura 4-50. Comparação entre a taxa de avanço in situ e as calculadas

utilizando o modelo do NTNU e o RMi. (Palmström, 1995). 194

Figura 4-51. Relação entre a força de corte e a velocidade de penetração

(Miranda et al., 2011). 201

Figura 4-52. Esquema da variação da taxa de penetração (PR) e a taxa de

avanço (AR) com o valor de Q (Miranda et al., 2011). 202

Figura 4-53. Variação da PR e AR com o valor de QTBM (Miranda et al., 2011).

202

Figura 4-54. Variação de m com o valor de Q (Miranda et al., 2011). 204

Figura 4-55. Variação de AR com a unidade de tempo considerada (Miranda et

al., 2011). 205

Figura 5-1. Sistema cartesiano de coordenadas globais e ângulo de rotação da

cabeça de corte (Ψ). 211

Figura 5-2. Tipo de rocha (Ri) e inclinação (αi) das camadas. 212

Figura 5-3. Espessura (e) central das camadas de rocha e posição angular (Ri,

Ψi) dos cortadores. 212

Figura 5-4. Módulo de introdução das informações gerais do projeto, das

especificações técnicas da TBM e das ferramentas de corte. 213

Figura 5-5. Definição do perfil angular, do perfil radial e do perfil lateral da

cabeça de corte da TBM. 213

Figura 5-6. Determinação da posição angular (referente ao giro) e cartesiana dos

cortadores, da penetração e do tipo de material onde estes se localizam.

213

Figura 5-7. Layout da cabeça de corte: vista frontal (esquerda) e perfil lateral

(direita). 214

Figura 5-8. Módulo de entrada de dados para a estimativa das forças de corte.


214

Figura 5-9. Módulo de resultados, cálculo da taxa de penetração e avanço e

verificação dos limites estabelecidos. 215

Figura 5-10. Módulo de cálculo das forças de corte e as componentes

cartesianas. 215

Figura 5-11. Módulo de cálculo das componentes cartesianas dos momentos.215

Figura 5-12. Módulo de cálculo da vida útil dos cortadores e a utilização da TBM

(U%) segundo o modelo do NTNU. 216

Figura 5-13. Traçado geral do Túnel de metrô Otogar-Bagcilar (Balci et al.,

2009). 217

Figura 5-14. Máquina e bloco de rocha usado nos testes (Balci et al., 2009). 218

Figura 5-15. Relação entre a razão espaçamento/penetração (s/d) e a energia

específica para calcário para um espaçamento entre cortes de 75 mm (Balci

et al., 2009). 218

Figura 5-16. Relação entre a profundidade de penetração (d), as forças de corte

e a energia especifica para corte em calcário em modo de interação

(relieved mode) e espaçamento entre cortes de 75 mm (Balci et al., 2009).

219

Figura 5-17. TBM Lovat: a) layout e b) in situ (Balci et al., 2009). 221

Figura 5-18. Layout da TBM Lovat no modelo em Excel (baseado em Balci et al.,

2009). 224

Figura 5-19. Capacidade utilizada em relação a um 90% de eficiência global da

TBM. 226

Figura 5-20. Forças resultantes ao longo de uma revolução. 226

Figura 5-21. Momentos resultantes ao longo de uma revolução. 227

Figura 5-22. Planta do projeto Túnel Tuzla-Dragos (Bilgin et al., 1999). 228

Figura 5-23. Perfil dos discos usados nos testes (Bilgin et al., 1999). 229

Figura 5-24. Relação entre as forças de corte e a penetração (Bilgin et al., 1999).

229

Figura 5-25. Relação entre a força de empuxo e a penetração (Bilgin et al.,

1999). 230

Figura 5-26. Relação entre a energia específica e a relação s/d (Bilgin et al.,

1999). 230

Figura 5-27. Configuração da TBM Robbins (Bilgin et al., 1999). 232

Figura 5-28. Layout da TBM no modelo em Excel (baseado em Bilgin et al.,

1999). 234


Figura 5-29. Capacidade utilizada a 90% de eficiência global. 236

Figura 5-30. Forças resultantes ao longo de uma revolução. 237

Figura 5-31. Momentos resultantes ao longo de uma revolução. 237

Figura 5-32. Layout da TBM utilizada no modelo em Excel. 238

Figura 5-33. Configuração dos casos de estudo. 240

Figura 5-34. Níveis utilizados da TBM no caso 1. 243

Figura 5-35. Forças de corte resultantes para o caso 1. 244

Figura 5-36. Momentos resultantes para o caso 1. 244

Figura 5-37. Cálculo da Utilização da TBM para o caso 1. 245



Figura 5-40. Relação entre a penetração e a UCS e BTS para os casos 1, 2 e 3.

247

Figura 5-41. Taxa de penetração (IN) e de avanço (IG) vs. a Utilização (U%) da

TBM. 247

Figura 5-42. Níveis utilizados da máquina TBM para o caso 4. 248

Figura 5-43. Distribuição dos cortadores para o caso 4. 248

Figura 5-44. Forças resultantes para o caso 4. 249


















Figura 5-62. Níveis utilizados da máquina para o caso 9. 255









Figura 5-70. Posição angular da TBM associada à penetração máxima do caso

4. 257

Figura 5-71. Posição angular da TBM associada à penetração máxima no caso

5. 258


6. 258


7. 259


8. 259


9. 260


10. 260

Figura 5-77. Comparação entre o Empuxo Total medido in situ e o valor

estimado com o modelo do CSM no caso do Túnel Otogar-Bagcilar. 261

Figura 5-78. Comparação entre o Torque medido in situ e o valor estimado com

o modelo do CSM no caso do Túnel Otogar-Bagcilar 262

Figura 5-79. Taxa de corte líquida (ICR), Túnel Tuzla-Dragos. 263

Figura 5-80. Força de empuxo (F’T), Túnel Tuzla-Dragos. 263

Figura 5-81. Número de discos de corte na rocha 1 (R1). 267

Figura 5-82. Número de discos de corte na rocha 2 (R2). 267

Figura 5-83. Componente Fx da força resultante. 268

Figura 5-84. Componente Fy da força resultante. 268

Figura 5-85. Componente Fz (Empuxo total) da força resultante. 269

Figura 5-86. Componente Mx do momento resultante. 269

Figura 5-87. Componente My do momento resultante. 269

Figura 5-88. Componente Mz (Torque total) do momento resultante. 270


Lista de tabelas

Tabela 2-1. Túneis terminados e em execução na Cordilheira dos Andes sul

americana (Palma et al., 2014). 53

Tabela 2-2. Vantagens da escavação com TBM (Tarkoy, 1995). 59

Tabela 3-1. Evolução dos discos de corte (Roby et al., 2008). 80

Tabela 3-2. Desenvolvimento da tecnologia de ferramentas de corte (Zhao e

Gong, 2006). 81

Tabela 3-3. Melhorias no aro, disco de 483 mm (19”) (Roby et al., 2008). 84

Tabela 3-4. Comparação das forças de corte-corte convencional, undercutting

sem oscilação e oscilatório a 35 Hz (Ramezanzadeh e Hood, 2010). 89

Tabela 3-5. Classificação da abrasividade em função do CAI (Wittke et al., 2007).

96

Tabela 3-6. Classificação do nível de desgaste e o coeficiente de uso Cp (Wittke

et al., 2007). 97

Tabela 3-7. Classificação da abrasão da rocha ou da habilidade para induzir

desgaste em carboneto de tungstênio (AV) (Dahl et al. 2011). 99

Tabela 3-8. Classificação da abrasão da rocha ou da habilidade para induzir

desgaste em cortadores de aço (AVS) (Dahl et al., 2011). 99

Tabela 4-1. Classificação da fragilidade da rocha ou da habilidade da rocha de

ser fragmentada por impactos repetidos (Dahl et al., 2011). 148

Tabela 4-2. Classificação da dureza da superfície ou da resistência à indentação

(Dahl et al., 2011). 150

Tabela 4-3. Categorias para os índices DRI, BWI e CLI (Bruland, 2000). 152

Tabela 4-4. Normas disponíveis, métodos sugeridos e descrições para testes em

rocha para projetos com TBM (Ozdemir e Nilsen, 1999). 156

Tabela 4-5. Parâmetros do maciço rochoso e da TBM no modelo do NTNU

(Bruland, 2000). 169

Tabela 4-6. Parâmetros da rocha e da TBM que influenciam o uso e consumo

das ferramentas de corte (Bruland, 2000). 170

Tabela 4-7. Classes de fraturas com o espaçamento entre planos de fraqueza

(Bruland, 2000 e Palmström, 1995). 171

Tabela 4-8. Fator de forma do bloco utilizado para determinar o volume a partir

do espaçamento dado no sistema de classificação das descontinuidades do

NTNU (Palmström, 1995). 190


Tabela 4-9. Fator de orientação das descontinuidades (c0) com referência ao

eixo de avanço da TBM (Palmström, 1995). 191

Tabela 4-10. Fórmulas para estimar a penetração, desenvolvidas nos últimos 40

anos (Letner e Schneider, 2003). 207

Tabela 5-1. Propriedades físicas e mecânicas do calcário fossilizado (Balci et al.,

2009). 218

Tabela 5-2. Especificações técnicas da TBM Lovat (Balci et al., 2009). 222

Tabela 5-3. Características do material no modelo em Excel. 222

Tabela 5-4. Perfil estimado da cabeça de corte da TBM Lovat (baseado em Balci

et al., 2009). 223

Tabela 5-5. Especificações técnicas da TBM e dos discos de corte. 225

Tabela 5-6. Determinação do desempenho da TBM Lovat. 225

Tabela 5-7. Comparação dos dados de desempenho in situ e os estimados com

o modelo do CSM para a TBM Lovat (modificado de Balci et al., 2009). 227

Tabela 5-8. Resumo dos resultados dos testes (Bilgin et al., 1999). 230

Tabela 5-9. Especificações técnicas da TBM Robbins 165-162/E1080 (Bilgin et

al., 1999). 232

Tabela 5-10. Perfil estimado da cabeça de corte da TBM Robbins. 233


Tabela 5-12. Determinação do desempenho da TBM Robbins. 236

Tabela 5-13. Desempenho medido in situ, e valores estimados com o teste de

corte linear (LCT) e o modelo do CSM (baseado em Bilgin et al., 1999). 237


Tabela 5-15. Parâmetros dos materiais utilizados na modelagem (baseado em

Yarali e Soyer, 2013). 240

Tabela 5-16. Resumo dos resultados obtidos com o método do CSM. 242

Tabela 5-17. Cálculo da duração dos cortadores caso 1. 245



Tabela 5-20. Teste-t para a taxa de corte líquida (ICR) medida em campo e a

estimada com o modelo do CSM para o Túnel Tuzla Dragos. 264

Tabela 5-21. Teste-t para a força de corte (F’T) medida em campo e a estimada

com o modelo do CSM para o Túnel Tuzla Dragos. 265

Tabela 6-1. Comparação dos resultados da modelagem dos casos práticos. 273

Tabela 6-2. Resumo de resultados dos casos práticos obtidos com o CSM. 273


"Nothing has been more difficult than evaluating the rock mass characteristics and applying the evaluation to a formula predicting penetration rate." (Nada tem sido mais difícil do que avaliar as características de um maciço rochoso e aplicá-las na avaliação de uma fórmula para prever a taxa de penetração)

Richard Robbins (1980)


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Escavação Mecanizada de Túneis em Rocha com Tunnel ...€¦ · Escavação Mecanizada de Túneis em Rocha com Tunnel Boring Machine (TBM) Dissertação de Mestrado Dissertação