Métodos de Execução de Túneis

Métodos de Execução de TúneisCurso – Engenharia Civil

Disciplina – Estruturas de Pontes II

Prof. Eng. Msc. Valdir Moraes Pereira

O que vai ser visto?1. Objetivo e influência dos fatores geológicos2. Métodos de escavação:

2.1 Método tradicional2.2 Por cravação de tubos - “Pipe Jacking”

2.4 Método de construção a céu aberto – “cut and cover”2.5 Novo método austríaco de túneis – “New austrian tunneling method “ (NATM)

2.6 Vantagens e desvantagens de cada método

3. Impermeabilização de túneis

2.3 Método da couraça - “Shield”

“Sum

ário

”

1. Objetivo e influência dos fatores geológicosPermitir uma passagem direta através de obstáculos, que podem ser elevações, rios, canais, etc.. Alinhamento do

túnel

Tráfego e transporte

Locação exata controlada por fatores geológicos e

hidrológicos

Implantação deve manter o mais reto possível

Menor percurso, custo inferiores, melhor

visibilidade, simplificação da construção e da locação topográfica

Investigação

geológica (sondagen

s)

Acima do nível d’água

1. Objetivo e influência dos fatores geológicos

O objetivo dos túneis é permitir uma passagem direta através de certos obstáculos, que podem ser elevações, rios, canais, áreas densamente povoadas, etc. A escolha do alinhamento básico de um túnel é governada primeiramente pelos interesses de trafego e transporte. A locação exata é controlada pelos fatores geológicos e hidrológicos particulares da área do túnel. A tendência para a implantação de um alinhamento de túnel é mantê-lo o mais reto possível, não só por seu percurso menor, custos inferiores, melhor visibilidade, mais também pela simplificação da construção e de sua locação topográfica. A fase mais importante dos trabalhos preliminares para túneis é a exploração cuidadosa das condições geológicas. A locação geral de um túnel, apesar de governada pelos interesses econômicos e de trafego, somente é definida quando são definidas as condições geológicas.O reconhecimento geológico é feito através de investigações superficiais, complementadas com sondagens espaçadas adequadamente (não aplicar o método geométrico), as quais fornecem as informações para o anteprojeto preliminar. O reconhecimento geológico é feito através de investigações superficiais, complementadas com sondagens espaçadas adequadamente (não aplicar o método geométrico), as quais fornecem as informações para o anteprojeto preliminar.

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1. Objetivo e influência dos fatores geológicos(Texto de apoio)

Classificação dos túneis quanto o método executivo

2.1 Métodos de escavaçãoMétodo tradicionalPara túneis escavados em rochas, a não ser para aqueles extremamente curtos, (200m de comprimento), são estabelecidas duas frentes de escavação.

Operações básicas:

a) Perfuração da frente de escavação com marteletes;b) Carregamento dos furos com explosivos:c) Detonação dos explosivos;d) Ventilação e remoção dos detritos e da poeira;e) Remoção da água de infiltração, se necessário;f) Colocação do escoramento para o teto e paredes laterais, se necessário;g) Colocação do revestimento, se necessário.

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2.1 Métodos de escavaçãoMétodo tradicional

Exemplo de tempo necessário gasto nas operações de avanço da frente de escavação de túneis

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2.1 Métodos de escavaçãoMétodo tradicionalMétodos de avanço:Escavação total: toda a frente e perfurada e dinamitada. São recomendados para túneis de pequenos diâmetros, embora os maiores também possam ser.Escavação por por bancada: consiste no avanço da parte superior do túnel, sempre adiante da inferior. Se a rocha é suficientemente firme para permitir que o teto permaneça sem escoramento, o avanço da parte superior é um turno de trabalho com relação à inferior.

Ilustração da escavação por bancada

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2. Métodos de escavaçãoMétodo tradicionalMétodos de avanço:Escavação por galerias: Método utilizado em túneis bastante largos, pois pode ser vantajoso desenvolver um túnel menor, chamado galeria. De acordo com a posição, a galeria é chamada de:

Ilustração da escavação por bancada

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2.1 Métodos de escavaçãoMétodo tradicionalPerfuração das rochas:Existem diversos equipamentos para perfuração, e a seleção do tipo mais adequado depende da:

a) Natureza topográfica do terreno;b) Profundidade necessária de furos;c) Dureza da rocha;d) Grau de fraturamento da rocha;e) dimensões da obra;f) Disponibilidade de água para perfuração

Esquema de perfuração para explosivos

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2. 1 Métodos de escavaçãoMétodo tradicionalDeterminação da seção do túnel:A seleção é influenciada por vários fatores:

a) Gabarito dos veículos;b) Tipo, resistência, conteúdo de água e pressões

do solo;c) Método de escavação;d) A necessidade de usar 1 ou 2 sentidos de

circulação

Seções mais comuns de túneis

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nal

2. Métodos de escavaçãoMétodo tradicionalVentilação:Necessária por diversas razões:

a) Fornecimento de ar puro para os trabalhadores;b) Remoção de gases produzidos pelos explosivos;c) Remoção da poeira causada pela perfuração,

explosão e outras operações.O volume de ar requerido para ventilar o túnel depende do número de operários, da frequência de explosões, etc.. Cada trabalhador necessita de, cerca de, 200 a 500 pés cúbicos/minuto. Quando o conteúdo de oxigênio cai abaixo de 20% (o natural é 21%), certo mal-estar acomete os operários. Com menos de 17% de oxigênio, pode ocorrer desmaio.M

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2.2 Métodos de escavaçãoMétodo por cravação de tubos – “Pipe Jacking”O que é?Pipe Jacking é uma técnica de execução de obras subterrâneas onde todo o túnel se movimenta em sincronia com o avanço da escavação.O termo “pipe jacking”, tubos cravados ou “macaqueados”(em português ), se deve ao fato de todo o avanço dos túneis ser realizado, a partir do esforço aplicado através de cilindros hidráulicos ou macacos, nos tubos que compõem a estrutura do túnel.

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e Ja

ckin

g”

Arranjo do sistema construtivo “Pipe Jacking”

2.2 Métodos de escavaçãoMétodo por cravação de tubos – “Pipe Jacking”Como funciona?A escavação é realizada por uma cabeça de corte ou shield, o material escavado é removido por dentro do túnel, mecânica ou hidraulicamente.No poço de serviço de cravação é instalado o conjunto de macacos, responsável pelo deslocamento e avanço do túnel, neste poço também é instalado um equipamento de alinhamento a laser responsável pelo controle direcional do túnel. Toda operação é controlada a partir de um container computadorizado, instalado na superfície, ao lado poço de serviço.“P

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Jack

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2.2 Métodos de escavaçãoMétodo por cravação de tubos – “Pipe Jacking”

“Pip

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Posto de serviço de cravação de tubos

2.2 Métodos de escavaçãoMétodo por cravação de tubos – “Pipe Jacking” Esse sistema de execução de túneis tem como principal atividade a cravação de segmentos de tubos – em geral de concreto – no solo, a partir de poços de serviço. Estes segmentos ligam-se por uma junta flexível e, normalmente, selada. Precedendo à cravação dos tubos, há a escavação do solo, que, segundo a Pipe Jacking Association, pode ocorrer manualmente, remotamente ou com uma pequena tuneladora. Alguns autores e entidades optam por classificar como Pipe-Jacking apenas aqueles métodos de construção por cravação em que é necessária a presença de trabalhadores na frente de escavação. Aqueles que assim preferem acabam por entender a técnica de Microtunneling – sem a presença humana na frente de escavação. Nesse método, observa que ao menos dois poços de serviço são necessários. Depois de construídos os poços, instala-se o cravador no emboque e inicia-se o trabalho com o escavador. Em seguida são cravados os tubos que empurrarão o escavador até o desemboque. A cravação dos tubos se dá através de macacos hidráulicos instalados e ancorados em um poço de serviço. Tem-se nesta forma de construção de túneis um processo não destrutivo, de reduzido efeito sobre a superfície. Entretanto, a utilização deste método é condicionada pelos diâmetros de tubos passíveis de cravação. Isto significa que as geometrias típicas de túneis escavados por cravação de tubos são aquelas com diâmetros variando de 15 centímetros a 3 metros.

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2.3 Métodos de escavaçãoCom tuneladora “Shield”

Tune

lado

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Conceito:

Método construtivo que toma partido de máquina tuneladora, popularmente conhecida no Brasil como Tatuzão e internacionalmente como TBM (Tunneling Boring Machine) – Máquina de perfuração de túneis.

Definição: Máquinas metálicas de seção transversal idêntica a seção do túnel que será escavada.

Definição técnica: Sistema complexo composto de um corpo principal e outros elementos de apoio, constituído por mecanismos de corte, impulso, direção, de proteção, de perfuração exploratória, de controle e suporte do maciço, de instalação do revestimento, de remoção de escombros, de ventilação e de abastecimento energético.

Consiste na escavação de túneis em seção plena da face do túnel em seção de geometria circular.


Tune

lado

ras

Classificação das máquinas TuneladorasSlurry Shield:

Aplicação de lama ou outro líquido tixotrópico;Solos que precisam de estabilização;Líquido mistura-se com o material escavado na câmara frontal da tuneladora e depois é separado por decantação.


Tune

lado

ras

EPB (Earth Pressure Balanced) – Balanciamento de Pressões: Estabilização feita por contrapressão de terra (solo);Próprio material escavado é colocado sob pressão na câmara situada logi após a ferramenta da corte;Manutenção da pressão necessária para equilibrar as pressões.

Tuneladora EPB (Earth Pressure Balanced)


Tune

lado

ras

Tuneladoras para escavação em rochasUtilizadas para escavação em rochas;

Tuneladoras Fechadas = Shield

Tuneladoras abertas = Grippes (garras)

As garras são fixadas na lateral do túnel para gerar maior pressão na frente de escavação.

Tuneladora Grippers (Garras)

2. 3 Métodos de escavaçãoCom tuneladora “Shield”

Tune

lado

ras

Fechamento primário

2.3 Métodos de escavaçãoCom tuneladora “Shield” Na ocorrência de situações em solo que demandem confinamento para estabilizar o maciço escavado, observa-se que ar comprimido, lama bentonítica ou contrapressão de terra podem ser utilizados para este fim. A estabilização feita com lama bentonítica ou outro líquido tixotrópico é feita em tuneladoras conhecidas como Slurry Shields, nas quais o líquido mistura-se com o material escavado em uma câmara frontal da tuneladora e, através de um circuito, é conduzida para o exterior da escavação, procedendo-se à separação por decantação. A estabilização feita por contrapressão de terra – técnica internacionalmente conhecida por EPB (Earth Pressure Balance) – ocorre com a utilização do próprio material escavado, o qual é colocado sob pressão em uma câmara situada logo após a ferramenta de corte. A utilização de que uma válvula associada a uma rosca sem-fim que conduz o material escavado para fora da câmara é o conjunto responsável pela manutenção da pressão necessária. Quando o solo escavado não demanda medidas de estabilização, as máquinas tuneladoras adotadas podem ser de escavação mecânica simples, aberta ou fechada, com ou sem utilização de ar comprimido. Nestes casos, as máquinas são simplificações das já citadas Slurry Shields e EPB. Em sendo a escavação realizada em rocha, as tecnologias usuais são as tuneladoras fechadas, com Shield, ou tuneladoras abertas, com Grippers. As tuneladoras fechadas para rochas têm seu funcionamento baseado no corte do maciço em seção plena, condução do material escavado através de transportadores, propulsão por sistema hidráulico e instalação dos segmentos e anéis de suporte. As máquinas abertas (Figura 17) não possuem carapaça cilíndrica e seu sistema de propulsão baseia-se na ancoragem provisória de elementos laterais (os Grippers) que agarram-se às paredes da cavidade já escavada.

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2. 3 Métodos de escavaçãoCom tuneladora “Shield”

De forma geral, a construção de túneis com tuneladoras caracteriza-se pela escavação plena da face do túnel em seção de geometria circular, seguida pela execução do revestimento do túnel. Usualmente, o revestimento é feito com segmentos pré-moldados de concreto justapostos, podendo ainda ser executado em concreto projetado quando a TBM for aberta, a exemplo do que ocorre na utilização dos Grippers. Também caracterizam a construção com TBMs a diversidade de solos em que pode ser empregado e a diversidade de diâmetros de túnel que podem ser atendidos. Isto não significa, todavia, que uma mesma máquina tuneladora é aplicável a qualquer solo ou qualquer diâmetro. As máquinas tuneladoras permitem escavar até mesmo rochas com resistência à compressão de 300 a 350 MPa, apesar de serem observados melhores resultados em rochas de dureza média a baixa.

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2. 4 Métodos de escavaçãoMétodo de construção a céu aberto – Vala recoberta pelo método direto “Cut and Cover”

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Cut and Cover – Bottom UpEscava e cobre – De baixo para cima

Passo 1: corresponde às atividades de contenção provisória (parede-diafragma, estacas secantes, estacas justapostas, perfis com pranchas ou outra tecnologia para esta finalidade), rebaixamento de lençol freático (se necessário), escavação e instalação de estroncas, tirantes oumãos-francesas.;Passo 2: o início da construção da estrutura do túnel, a começar pela laje de fundo.;Passo 3: a conclusão da estrutura do túnel, com paredes e cobertura, seguida da instalação de sistema de impermeabilização (se necessário).Passo 4: corresponde ao reaterro e às atividades de recuperação e restauração da superfície.

2. 4 Métodos de escavaçãoCut and Cover

Construir um túnel por recobrimento de vala consiste em escavar uma vala ao longo do traçado do túnel a ser implantado, construir o túnel e, após executar a cobertura do túnel, cobrir com solo, recuperando a situação de superfície existente antes da implantação da obra. Internacionalmente o processo é conhecido como Cut and Cover – Escavar e Cobrir, na tradução literal – modalidade Bottom-up, em referência à construção feita “de baixo para cima”.A execução das trincheiras compreende as metodologias usuais de escavação – sem restrição geológica – e contenção – provisórias ou definitivas. Em sendo as contenções de caráter definitivo, elas próprias desempenham a função de limites laterais do túnel.Como é típico da construção de grandes trincheiras, especialmente em ambientes urbanos, é usual a utilização de elementos estruturais que possibilitem às contenções desempenhar seu papel até o momento do reaterro. Tais elementos consistem de tirantes, pregagens do solo e estroncas.A descrição desta tecnologia construtiva citando a atividade de rebaixamento do lençol freático, essencial quando o nível da água subterrânea excede o nível do fundo da escavação e a contenção por si só não é suficiente para mitigar os efeitos da presença de água.

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2. 4 Métodos de escavaçãoMétodo de construção a céu aberto – Vala recoberta pelo método direto “Cut and Cover”

“Cut

and

Co

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Cut and Cover – Top DownEscava e cobre – De cima para baixo

Passo 1: constitui-se na instalação das contenções definitivas – que virão a ser as paredes do túnel – através de paredes-diafragma, estacas secantes ou estacas justapostas, seguida de rebaixamento do lençol freático (se necessário). Passo 2: contempla a escavaçãoaté a cota da cobertura do túnel, a construção da cobertura, sua ligação com as contenções e posterior impermeabilização. Passo 3: é o reaterro seguido da recuperação e restauração da superfície, escavação do interior do túnel, por baixo da cobertura construída, e construção da estrutura de fundo e ligação dela com as demais estruturas já construídas. Passo 4: o complemento dasconstruções internas do túnel.

Método Invertido

2. 5 Métodos de escavaçãoMétodo Austriáco “NATM”

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M”

Escavação sequencial caracterizada por permitir uma acomodação do maciço escavado durante um tempo no máximo igual ao tempo de autosustentaação do solo; Deformação do solo constantemente monitorada na superfície. Revestimento primário – Concreto Jateado – Estrutura primária Revestimento secundário – Concreto Convencional – Estrutura principal Princípios do método NATM:

• O principal suporte do túnel é o maciço circundante, que deve sermobilizado ao máximo, formando um anel de estabilização;• As deformações do maciço e do suporte devem ser rigorosamenteobservadas e controladas;• O suporte deve ser aplicado em tempo compatível com ascaracterísticas geomecânicas do maciço;• A extensão a ser deixada sem suporte durante a escavação deve sersempre a mínima possível;• O avanço deve, tanto quanto possível, ocorrer em seção plena, semparcializações;


“NAT

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Princípios do método NATM:

• O tempo de ciclo e a perturbação ao maciço devem ser os menorespossíveis;• A rigidez do suporte deve ser compatível com o maciço, restringindoas deformações dentro dos limites de segurança;• A geometria da seção deve ser tal que se minimizem concentraçõesde tensões e esforços de flexão;• Contratante, projetista e construtor devem estar bem entrosados,possibilitando soluções rápidas e eficientes.


“NAT

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Para que os princípios anteriores sejam atendidos, a seção tranversal do túnel deve ser em forma de “ferradura”, dividida em abóboda (parte superior) e invert (parte inferior);

A escavação progride em fases, primeiramente a parte superior (calota), que revestida dá origem à abóboda; e em seqüência o rebaixo, que revestido, dá origem ao invert.

Seção transversal típica de túnel em NATM


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Seção transversal típica de túnel em NATM


“NAT

M”

Exemplo de escavação em seção plena Enfilagens:


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Exemplo de escavação duas galerias laterais (calota + peito + arco

Invertido)


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Exemplo de escavação duas galerias laterais (calota + peito + arco

Invertido)

2. 5 Vantagens e desvantagens“N

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Vantagens e desvantagens dos

métodos executivos

3. Impermeabilização de TúneisIm

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Impermeabilização de túnel com geomembrana

Objetivos: Assegurar a estanqueidade do túnel, protegendo o revestimento de concreto contra agentes agressivos presentes nas águas infiltradas; Proteger equipamentos elétricos e eletrônicos presentes nos túneis; visar minimização de custos com impermeabilização.

ReferênciasIm

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ção

A maioria dos textos presentes nessa apresentação foram retirados dos trabalhos descritos abaixo.

Notas de aula do Prof. M. Marangon – Tópicos em Geotecnia e Obras de Terra. UFJF – universidade federal de juiz de fora.

Pedro Gustavo da Costa de Oliveira. Execução de túneis com recurso ao método cut and cover. Universidade federal de Lisboa, 2012. Dissertação de Mestrado.

Vinícius Bernardino Travagin. Subsídios Para Escolha Do Método Construtivo De Túneis. Universidade Tecnológica Federal Do Paraná Câmpus Curitiba Programa De Pós-Graduação Em Engenharia Civil – Dissertação De Mestrado, 2012

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