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INOVAÇÕES EM TÚNEIS RODOVIÁRIOS REALIZADOS COM A TÉCNICA TBM

S. Pompeu Santos1

1LNEC, Lisboa, Portugal

email: pompeusantos@sapo.pt http://www.lnec.pt

Sumário

No artigo faz-se a apresentação de dois conceitos inovadores para a construção de túneis executados com a

técnica TBM (tuneladora): o conceito TISB para túneis construídos em terreno brando, em zonas sísmicas; e o

conceito TMF, que permite, com um único túnel oferecer as capacidades geralmente conseguidas com dois túneis

separados. Faz-se ainda a apresentação de uma proposta de um túnel rodoviário para a travessia do rio Tejo, em

Lisboa, na qual estes conceitos são aplicados.

Palavras-chave: Túneis rodoviários, TBM, Solos brandos, Sismos, TISB, TMF

1 INTRODUÇÃO

A execução de túneis com a técnica TBM ("máquina tuneladora”) é uma solução cada vez mais usada na construção de infra-estruturas de sistemas de transporte, tanto ferroviários como rodoviários, por questões económicas e também por razões ambientais. Ao executar um túnel com esta técnica, a máquina escava o terreno e coloca aduelas prefabricadas de betão ao longo da superfície do túnel, que são ligadas entre si, formando a parede exterior (que é circular), reduzindo custos e tempo.

A solução TBM convencional de construção de túneis é apropriado para terreno rijo (argila dura, areia compacta, etc), já que os túneis construídos deste modo têm a sua estabilidade assegurada pela resistência do terreno circundante (as aduelas prefabricadas funcionam essencialmente como acabamento), pelo que não precisam de apresentar resistência significativa, tanto na direcção transversal como na direcção do eixo de túnel.

No caso de terreno brando (lodo, argila mole, areia solta, etc), em zonas sísmicas, a execução de túneis com a técnica TBM convencional não é completamente fiável, já que, como no túnel assim formado, as ligações entre aduelas prefabricadas são fracas (são tipo "LEGO"), a resistência e a ductilidade são baixas, havendo o risco de colapso. Os tratamentos do terreno, por vezes usados para ajudar ao comportamento sísmico da estrutura, além de serem muito caros, em geral não garantem a fiabilidade necessária.

Na realização de túneis rodoviários com a técnica TBM convencional, após a execução do túnel propriamente dito, é habitualmente construído um enchimento na base, a fim de criar uma plataforma para a circulação dos veículos, com os dois sentidos de tráfego colocados lado a lado. No caso de túneis com mais de uma faixa em cada sentido, o diâmetro necessário seria de tal modo grande, que é incompatível com as máquinas actualmente existentes, o que obriga à construção de dois túneis.

No caso de túneis longos (habitualmente assim considerados os túneis com mais de 0,5 km de extensão), por razões de segurança, a colocação dos dois sentidos de tráfego lado a lado é, em si, questionável, sendo necessário construir dois túneis separados, um para cada sentido de tráfego, de modo que, para efeitos de ventilação e de remoção de fumos, o ar circule num único sentido, o sentido do tráfego [1]. Será ainda necessário construir galerias de acesso e de evacuação ao longo do túnel, de modo a permitir o acesso ao interior do túnel e a evacuação de pessoas em caso de acidente ou de incêndio no túnel.

Os conceitos TISB e TMF, recentemente desenvolvidos para túneis executados com a técnica TBM, procuram dar resposta adequada a estes desafios, permitindo a obtenção de soluções fiáveis e muito económicas.

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2 EXECUÇÃO DE TÚNEIS COM A TÉCNICA TBM

A máquina tuneladora é um equipamento muito complexo, atingindo, em geral, mais de 100 metros de extensão. A parte mais importante da tuneladora é o escudo frontal (“shield”), em forma de cilindro (Figs 1) [2, 3]. Existem diferentes tipos de escudos, conforme as características do terreno a escavar.

Fig. 1. Vista esquemática de uma tuneladora

A tuneladora com escudo tipo EPB ("Earth Pressure Balance"), com equilíbrio de pressões, é a mais usual, hoje em dia, sendo particularmente apta para terreno brando. Este compreende vários componentes, designadamente, a cabeça de corte rotativa (1), a câmara de recepção (2), a antepara estanque (3), os macacos hidráulicos de impulso (4), o transportador de parafuso “sem-fim” (5) e o erector (6) de montagem das aduelas prefabricadas (Fig. 2).

Fig. 2. Interior do escudo de uma EPB

A cabeça de corte rotativa dispõe de discos cortadores que cortam o terreno em pedaços, que passam através de aberturas existentes na cabeça de corte e são armazenados na câmara de recepção, limitada pela antepara estanque. O material escavado é removido da câmara de recepção (que está sob pressão) para dentro do túnel (que está à pressão atmosférica) através do transportador de parafuso “sem-fim”. No caso de escudos de grande diâmetro são, por vezes, adoptadas duas cabeças de corte, que podem rodar em sentidos opostos (ver Fig. 3).

Existem ainda outros tipos de tuneladoras, designadamente a tuneladora de escudo misto (“mix-shield”), particularmente apta para terreno de geologia complexa e variável, e grandes pressões de água. Neste caso, é injectada uma suspensão de bentonite (mistura de argila e água) na frente da máquina, onde é misturada com o terreno, a qual é depois bombada para o exterior, para uma estação de separação, onde é feita a separação do terreno da suspensão, a qual é assim reciclada.

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Enquanto a escavação se vai processando, o erector vai montando as aduelas prefabricadas, formando anéis adjacentes consecutivos, pelo que a parede do túnel vai sendo construída imediatamente atrás do escudo. Posteriormente, as aduelas prefabricadas são ligadas entre si, manualmente, por meio de parafusos curvos e chaves longitudinais, de modo a obter a sua solidarização.

Fig. 3. Escudo com duas cabeças de corte

O escudo é empurrado para a frente pelos macacos hidráulicos de impulso, fazendo pressão sobre o último anel de túnel montado. A extremidade traseira do escudo é selada através de um sistema vedante especial, de modo a impedir a penetração da água ou do terreno no espaço entre o escudo e a parede do túnel.

Além do escudo, a tuneladora compreende um longo “back-up”, no qual é instalada a multiplicidade de equipamentos necessários às diversas operações.

Dentro do túnel, são geralmente utilizados comboios especiais para o transporte das aduelas prefabricadas até à TBM. No caso das EPB, estes são também habitualmente usados para a retirada do material escavado. Em alternativa, o material escavado será transportado para o exterior através de tapetes rolantes.

As aduelas prefabricadas são de betão armado de alta resistência (C40, ou superior). Possuem, em geral, 1,20m a 1,60m de largura, sendo o seu número determinado de modo a formar anéis completos com elementos com um determinado peso; comummente são usadas 6 a 8 aduelas por anel, mas em túneis de grande diâmetro, esse número é ainda superior. A espessura das aduelas depende das tensões actuantes circundantes e das forças de impulso aplicadas pela TBM; nas situações comuns corresponde a cerca de 1/25 do diâmetro do túnel.

Em Portugal há já experiência do uso de tuneladoras, nomeadamente, na execução de troços de túneis do Metro de Lisboa e do Metro do Porto. Trata-se de tuneladoras de médio porte, com escudos da ordem de 9-10 metros de diâmetro. Existem, contudo, tuneladoras de muito maior porte, estando já em operação tuneladoras com 15,6m de diâmetro, e em projecto outras de diâmetro ainda superior.

3 CONCEITO TISB

O TISB conceito ("Túnel de Comportamento Sísmico Melhorado") é uma solução recentemente desenvolvida para a execução de túneis construídos com a técnica de TBM, quando os referidos túneis são executados em terreno brando, em zonas sísmicas, permitindo conferir ao túnel a resistência e a ductilidade necessárias [4, 5 e 6]. O conceito TISB é ilustrado na Fig. 4.

O túnel é composto por dois tubos concêntricos em betão armado, funcionando conjuntamente; um tubo exterior (3), que é construído pela técnica TBM, no terreno brando, e um tubo interior (4), que é executado posteriormente, no interior do tubo exterior (3).

O tubo exterior (3) é um túnel TBM convencional, formado por aduelas prefabricadas, montadas pela tuneladora. O tubo interior (4) é moldado in-situ, no interior do tubo exterior (3), usando o tubo exterior como cofragem

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exterior e a ajuda de uma cofragem interior complementar. Dentro da espessura do tubo interior (4) são colocadas armaduras longitudinais (7) e armaduras transversais (8), confinadas por armaduras de confinamento, de modo a conferir ao túnel a resistência e a ductilidade necessárias para resistir às acções verticais e horizontais que podem actuar no túnel.

No caso de haver uma variação significativa das acções verticais actuantes no túnel (devido ao aumento ou à diminuição da altura do terreno de recobrimento, por exemplo), o túnel será provido de suportes, regularmente espaçados ao longo do túnel. Os suportes serão constituídas por grandes blocos (5) envolventes do tubo exterior (3), que são prolongados até ao terreno rígido inferior (2), através de estacas de apoio (6) com grande flexibilidade e ductilidade horizontal, de modo a resistir às cargas verticais, permitindo ao mesmo tempo movimentos horizontais do túnel durante a actuação de sismos. Os blocos de apoio (5) serão obtidos através da execução de estacas de “jet-grouting”, por exemplo. As estacas de apoio (6) serão, em princípio, estacas de betão armado, executadas por perfuração vertical dos blocos de apoio (5) e do terreno brando (1), sendo ancoradas no terreno rijo (2).

a) Perspectiva do túnel b) Perspectiva da solução completa

Fig. 4. Ilustração do conceito TISB

As armaduras longitudinais (7) e as armaduras transversais (8) do tubo interior (4) serão as necessárias para resistir às acções, enquanto as armaduras de confinamento serão as necessárias, para que as tensões no betão sejam aceitáveis sob os movimentos horizontais do túnel durante um sismo.

Quando o túnel é escavado em solo imerso, deverá ser garantido que o tubo exterior não submerja devido à eventual rotura por corte do solo. No caso de o recobrimento de terreno ser reduzido, será executado um aterro temporário antes da passagem da tuneladora.

Esta solução permite a obtenção de estruturas monolíticas (sem juntas), com resistência tanto na direcção longitudinal como transversal, e grande ductilidade. Além disso, as estruturas obtidas apresentam grande redundância estrutural, o que pode ser importante no caso de situações não previstas na fase de projecto.

No que respeita ao comportamento sísmico, esta solução permite o desenvolvimento de elevada ductilidade no túnel, a qual irá depender essencialmente da ductilidade do tubo interior, sendo assegurada pelo confinamento adequado das suas armaduras longitudinais e transversais. A solução será também muito eficaz se ocorrerem fenómenos de liquefacção e mobilidade cíclica, já que a estrutura pode facilmente resistir à perda localizada de apoio no terreno, funcionando como uma viga. No caso de serem adoptados suportes, a sua grande flexibilidade e ductilidade permitem que o túnel se desloque horizontalmente, sem limitações, funcionando como uma espécie de viga sobre apoios móveis.

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A solução tem ainda outras vantagens. É completamente impermeável, uma vez que não tem juntas, apresenta também boa resistência ao fogo e grande durabilidade. Esta poderá ainda ser facilmente melhorada, protegendo as armaduras do tubo interior através de protecção catódica, ligando-as a uma corrente eléctrica contínua de baixa intensidade. A solução pode também ser aplicada no reforço de túneis existentes, utilizando o túnel existente como cofragem exterior para a execução do reforço interior.

4 CONCEITO TMF

O conceito TMF (“Túnel de Piso Múltiplo”) é uma solução recentemente desenvolvida para a construção de túneis rodoviários com duas vias de tráfego separadas, construídos com a técnica TBM, permitindo a criação de duas galerias rodoviárias idênticas, isoladas e independentes, e uma galeria de serviço, bem como dispositivos adequados para acesso local e a evacuação de pessoas em caso de acidente ou de incêndio no túnel [7 e 8]. O conceito TMF é ilustrado na Fig. 5.

a) Perspectiva do túnel b) Secção transversal corrente do túnel

c) Planta ao nível da galeria superior do túnel na zona de uma galeria de acesso vertical

d) Secção transversal do túnel na zona de uma galeria de acesso vertical

Fig. 5. Ilustração do conceito TMF

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Inicialmente é construído um túnel convencional executado com a técnica TBM, que terá assim parede circular (1). Dentro do túnel são seguidamente executadas duas lajes (2) (3), a toda a largura, uma colocada aproximadamente a meia altura do túnel e a outra colocada ligeiramente acima da base do túnel, de modo a formar três galerias sobrepostas, isoladas e independentes: duas galerias rodoviárias (4) (5), uma para cada sentido de tráfego, e uma galeria de serviço (6).

Nas lajes (2) (3) são criadas aberturas (7), colocadas junto da parede circular (1), num dos lados, regularmente espaçadas, as quais são protegidas com “caixas” corta-fogo (8), providas de saídas de emergência equipadas com portas corta-fogo. As “caixas” corta-fogo superiores (8) e inferiores (8) são ligadas entre si e à galeria de serviço (6) através de galerias de acesso vertical (10), equipadas com escadas, de modo a permitir a passagem segura de pessoas entre as galerias rodoviárias (4) (5) e a galeria de serviço (6).

Dentro da galeria de serviço (6), são instalados veículos de emergência tipo vaivém (9), que funcionam pendurados da laje inferior (3), tipo “monorail”, para permitir o acesso do pessoal e a evacuação de pessoas em caso de acidente ou de incêndio no túnel.

Conforme referido atrás, o conceito TMF permite a construção de túneis rodovários de secção circular, nos quais um único túnel permite oferecer as capacidades que são geralmente conseguidas com dois túneis separados, com grandes economias no custo e no tempo de construção.

Assim, com uma divisão racional da secção circular de um túnel de grande diâmetro, é possível instalar duas galerias rodoviárias, sobrepostas e idênticas, e uma galeria de serviço. Além disso, a adopção de galerias de acesso vertical, ligando os passeios das galerias rodoviárias à galeria de serviço, bem como a instalação de veículos de emergência na galeria de serviço, permite o acesso fácil do pessoal às galerias rodoviárias, bem como a evacuação de pessoas em caso de acidente ou de incêndio no interior do túnel.

É de notar que nos túneis rodoviários construídos com a técnica TBM, são habitualmente executados dois tubos separados, um para cada sentido de tráfego. Isto acontece mesmo nos casos em que são usados tubos de grande diâmetro, como é o caso, por exemplo, do túnel do “by-pass” sul da auto-estrada M30, em Madrid, Espanha, em que, apesar da adopção de tubos com 15,20m de diâmetro (recorde mundial na época da construção, 2006-2007), foi adoptado um tubo para cada sentido de tráfego (Fig. 6) [9].

5 TÚNEL ALGÉS-TRAFARIA PARA ATRAVESSAMENTO DO RIO TEJO EM LISBOA

5.1 Introdução

A construção de um túnel no corredor Algés-Trafaria, sob o rio Tejo, em Lisboa, há muito vem sendo considerada. Depois da ponte 25 de Abril e da ponte Vasco da Gama, irá, em princípio, constituir a terceira travessia do rio Tejo na zona de Lisboa. Embora uma ponte no referido corredor também seja admitida, por razões de segurança, ambientais e de custo, um túnel será, provavelmente, a solução que virá a ser adoptada.

O túnel ficará localizado a poente da ponte 25 de Abril, ligando a parte ocidental de Lisboa (Algés) à margem sul do Tejo, na zona da Trafaria. Permitirá assim fechar o anel interior regional da zona de Lisboa, constituído pela CRIL (na margem norte), a CRIPS (A33, na margem sul), e a ponte Vasco da Gama (a leste) (ver Fig. 7).

Fig. 6: Os dois tubos do túnel do “by-pass” sul da M-30 em Madrid

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O local do túnel é caracterizado pela existência de depósitos aluviais de grande espessura ao longo do leito do rio, compostos de vários complexos de lodo e areias, que se estendem da cota -20 até à cota -75. Subjacentes aos depósitos aluviais existem as formações do “bed-rock” compostas por basaltos e calcários, que se estendem através do banco norte. Na margem sul há formações do Mioceno, compostas principalmente por areias e argilas. É também de notar as muito propensas condições sísmicas da zona (é de lembrar o sismo de Lisboa de 1755, um dos mais destruidores na história).

Fig. 7. Localização e implantação do túnel Algés-Trafaria

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Para a construção do túnel têm sido consideradas soluções em túnel imerso [10] e também segundo a técnica TBM convencional. Contudo, ambos os tipos de soluções têm levantado reservas, nomeadamente quanto ao comportamento sísmico e ao custo. A aplicação dos conceitos TISB e TMF permite a obtenção de uma solução em túnel TBM, completamente segura e com custos muito mais baixos que com as referidas soluções convencionais [11].

5.2 Solução proposta

O túnel terá um comprimento total de cerca de 5,1 km, dos quais, 2,25 km serão sob o leito do rio, 1,6 km no ramo de aproximação norte e 1,25 km no ramo de aproximação sul.

Em planta o túnel será constituído por dois troços rectos, ligados por uma curva de cerca de 600m de raio (Fig.7). Nas extremidades do túnel haverá ainda duas curvas de raio idêntico, em troços a céu aberto, para permitir a transição entre as rodovias e os dois níveis do túnel.

Em perfil longitudinal o túnel será constituído por quatro ramos, com uma inclinação máxima de 4,8%. Na parte mais profunda, o túnel ficará sensivelmente entre as cotas -35 e -50 (Fig. 8).

De modo a garantir a segurança contra o levantamento do túnel durante a passagem da TBM, será garantido um recobrimento mínimo de terreno submerso de 11m. Assim, nas zonas em que o terreno natural está abaixo da cota -24, (nalgumas zonas o terreno natural está à cota -27) será construído um enrocamento antes da passagem da TBM, cuja espessura máxima será assim de cerca de 3 m.

A secção transversal corrente do túnel é ilustrada nas Fig. 9. O túnel terá um diâmetro exterior de 15,6 m, o que permite a furação por uma tuneladora idêntica a outras já existentes. Será constituído por dois tubos concêntricos, em betão armado: um tubo exterior, formado por aduelas prefabricadas, montadas pela tuneladora, e um tubo interior, que será moldado posteriormente in-situ, utilizando o tubo exterior como cofragem exterior e com a ajuda de uma cofragem móvel interior.

A espessura da parede do tubo exterior é de 0,55 m e a do tubo interior é de 0,35 m. Serão ainda executadas injecções de “jet-grouting” com 0,10 m de espessura média, entre as aduelas prefabricadas e o terreno, pelo que a espessura total da parede do túnel será de 1,00 m. O diâmetro interior do túnel acabado será assim de 13,6m.

Dentro do túnel são depois executadas duas lajes, também em betão armado, uma colocada sensivelmente a meia altura do túnel e outra colocada um pouco acima da base do túnel, com 0,35m e 0,30m de espessura, respectivamente. Em princípio, as lajes serão realizadas a partir de painéis prefabricados pré-esforçados de betão, apoiados em consolas projectadas do tubo interior.

Esta geometria do túnel vai permitir a instalação de duas galerias rodoviárias sobrepostas (uma para cada sentido de tráfego) com duas faixas de rodagem cada, com 3,50 m de largura e 4,80m de altura, e uma galeria de serviço com 2,0m de altura (Fig. 9a). As galerias rodoviárias dispõem ambas de via de emergência com 2,20m de largura e berma interior com 1,20m, bem como passeios em ambos os lados, também com 1,20m de largura, ficando ligeiramente sobrelevados os da

Fig. 8. Condições geotécnicas do local e perfil longitudinal do túnel Algés-Trafaria (proposta)

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galeria inferior. Numa segunda fase (se o tráfego justificar) as galerias rodoviárias serão adaptadas para 3 faixas cada, cada uma com 3,30 m de largura, sendo as exteriores limitadas a veículos com 3,80 m de altura (Fig. 9b).

a) 1ª Fase b) 2ª Fase

Fig. 9. Secção transversal corrente do túnel (proposta)

Ambas as galerias rodoviárias serão providas de saídas de emergência espaçadas de 400m, que dão acesso a galerias de acesso vertical, providas de escadas, para ligação à galeria de serviço (Fig. 10).

Fig. 10. Secção transversal do túnel na zona de uma galeria de acesso vertical (proposta)

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A galeria de serviço será equipada com veículos de emergência que circulam pendurados da laje inferior, tipo monorail”, em duas linhas paralelas, para permitir o acesso do pessoal ao interior do túnel bem como a evacuação de pessoas até às embocaduras do túnel, em caso de acidente ou de incêndio no túnel.

As galerias de acesso vertical serão construídas por desmontagem das aduelas prefabricadas do tubo exterior em zonas limitadas do túnel e executando novas paredes de betão armado in-situ, ligadas em continuidade à parede do tubo interior. Nos casos em que haja pressão da água em torno do túnel, serão executadas injecções de “jet-grouting” (ou de espuma de resinas) nessas zonas, de modo a permitir o desenvolvimento dos trabalhos em segurança. Em alternativa, poderá ser utilizada a congelação local do terreno.

6 CONCLUSÕES

Os conceitos TISB e TMF constituem desenvolvimentos inovadores que permitem a obtenção de soluções fiáveis e muito económicas para a construção de túneis rodoviários utilizando a técnica TBM, em terreno brando, em zonas sísmicas. Assim, poderão ser um valor acrescentado quando aplicados na realização de grandes travessias, designadamente na construção do túnel rodoviário Algés-Trafaria, em Lisboa, ou noutros, em qualquer parte do mundo.

7 REFERÊNCIAS

1 EU, Safety in Roadway Tunnels, EU Directive 2004/54CE, April, 2004.

2 Storebelt, Storebeltsforbindelsen, Storebelt A/S (em inglês), 1994.

3 Herrenknecht, Pioneering Tunnelling Technology for Underground Transport Systems, Herrenknecht AG, 2011.

4 S. Pompeu-Santos, Túnel de Comportamento Sísmico Melhorado, Patente Nacional n. 103421, INPI, Julho de 2008.

5 S. Pompeu-Santos, Túneis de Comportamento Sísmico Melhorado: O conceito TISB, Encontro Nacional de

Betão Estrutural (BE2008), Guimarães, Novembro de 2008.

6 S. Pompeu-Santos, Túneis de Comportamento Sísmico Melhorado: O Conceito TISB, Revista Ingenium, Maio-Junho de 2009.

7 S. Pompeu-Santos, Túnel de Piso Múltiplo, Patente Nacional n. 103748, INPI, Agosto de 2009.

8 S. Pompeu-Santos, Tunnel Multi-Storey, European Patent n. 2317074B1, EPO, November, 2011.

9 Herrenknecht, Masterly Performance in Madrid: Keeping Things Moving on the M-30 Highway, Google, 2009.

10 J. Cancio Martins, Nova Travessia do Tejo; Corredor Algés-Trafaria; Solução em Túnel Imerso, J. L. Cancio Martins Projectos de Estruturas, Janeiro de 2001.

11 S. Pompeu-Santos, Tunnels for Large Crossings: Challenges and Innovations, IABSE/IASS Symposium

Taller, Longer, Lighter, London, UK, September, 2011.