aplicação do método natm na execução de túnel em rocha
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APLICAÇÃO DO MÉTODO NATM NA EXECUÇÃO DE TÚNEL EM ROCHA Victor Barreto de Oliveira Lima Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do Título de Engenheiro Civil. Orientadora: Prof.ª Elaine Garrido Vazquez Rio de Janeiro Março de 2016
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APLICAÇÃO DO MÉTODO NATM NA EXECUÇÃO
DE TÚNEL EM ROCHA
Victor Barreto de Oliveira Lima
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Civil da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
Título de Engenheiro Civil.
Orientadora: Prof.ª Elaine Garrido Vazquez
Rio de Janeiro
Março de 2016
APLICAÇÃO DO MÉTODO NATM NA EXECUÇÃO
DE TÚNEL EM ROCHA
Victor Barreto de Oliveira Lima
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO
DE ENGENHARIA CIVIL DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO CIVIL.
Examinado por:
Prof.ª Elaine Garrido Vazquez
Profª. Associada, D.Sc., EP/UFRJ (Orientadora)
Prof. Leandro Torres Di Gregorio
D.Sc., EP/UFRJ
Prof.ª Alessandra Conde de Freitas
D.Sc., EP/UFRJ
Rio de Janeiro
Março de 2016
III
Lima, Victor Barreto de Oliveira
Aplicação do Método NATM na Execução de
Túnel em Rocha/ Victor Barreto de Oliveira Lima. – Rio
de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2016.
X, 65 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadora: Elaine Garrido Vazquez
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia do Civil, 2016.
Referencias Bibliográficas: p. 55 a 57
1. Introdução. 2. Metodologia de execução de
túneis. 3. Caso estudado: Desvio do Rio Joana - RJ. 4.
Considerações finais.
I. Elaine Garrido Vazquez. II. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Curso de Engenharia Civil. III. Aplicação do
Método NATM na execução de túnel em Rocha.
IV
AGRADECIMENTOS
Primeiramente gostaria de agradecer a Deus, sem ele nada disso seria possível.
Gostaria de agradecer ao meu pai Marcos Souto de Lima pelos primordiais
ensinamentos e oportunidades que me foram dadas. Agradeço também a minha mãe
Lúcia Barreto de Oliveira pelo carinho e incentivos recebidos ao longo desta jornada.
Agradeço a toda minha família, irmãos, avós, tios, tias e primos pela paciência e
compreensão nos momentos de ausência causados por motivos acadêmicos.
Aos amigos e colegas da Escola Politécnica pela ajuda determinante na trajetória que
agora se conclui, em especial:
Júlio Cezar Dhyppolito, Rodrigo Villa Nova, Thiago Gisbert, Fábio Teller, Guilherme
Potiguara, Daniel Macedo, Rodrigue Totolo, Vítor Mussa, Vinicius Machado, Fabio
Luiz, Lays Cristina, Priscila Sanchez, Paula Nejaim, Naiala Fidélis, Stela Magaldi, Elisa
Belisário, Suellen Paixão, Karine Trajano e Liz Vieira.
Um agradecimento especial para os colegas de profissão que fizeram parte de meu
desenvolvimento como Engenheiro Civil, em especial:
Rogério Cícero Castor, Daniel Antunes, Ugo Porciúncula, Heraldo Xavier, Matheus
Marques, Guilherme Martin, Filipe Ribeiro, Fernando Franco, Rafael Padilha, Rogério
Justino e Lígia Rangel.
Por fim agradeço a todos os professores que fizeram parte dessa jornada e tanto
contribuíram em minha formação. Em especial agradeço a professora e orientadora,
Elaine Garrido Vazquez, por sua dedicação e preocupação perante todos os alunos desta
Escola.
V
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica /UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenharia Civil.
APLICAÇÃO DO MÉTODO NATM NA EXECUÇÃO
DE TÚNEL EM ROCHA
Victor Barreto de Oliveira Lima
Março/2016
Orientadora: Elaine Garrido Vazquez
Curso: Engenharia Civil
A falta e a valorização do espaço na superfície das grandes cidades vêm acarretando em
uma crescente demanda pelo uso do espaço subterrâneo. Com o avanço dos estudos
geológicos e geotécnicos muitos métodos de execução de túneis foram aperfeiçoados e
vem sendo utilizados atualmente. O presente trabalho tem como objetivo detalhar o
processo de execução de túneis pelo método NATM (New Austrian Tunneling Method),
abordando seus principais conceitos, atividades preliminares, metodologia de suporte e
seus mecanismos de controle e instrumentação. Mais precisamente será abordado o
método de desmonte de rocha a fogo conhecido como Drill and Blast, onde serão
estudados seus principais processos como o plano de fogo, perfuração da rocha,
carregamento com explosivos, detonação e controle de vibrações no maciço. Para a
melhor compreensão do método em estudo foi abordado o caso da obra de Desvio do
Rio Joana, que contempla a execução de túneis na região da Grande Tijuca - RJ e tem
por objetivo a contenção de enchentes na região.
Palavras Chave: Túnel, NATM, escavação em rocha, Drill and Blast
VI
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirement for the degree of Civil Engineer.
APPLICATION OF NATM METHOD IN TUNNEL
EXECUTION ON ROCK
Victor Barreto de Oliveira Lima
March/2016
Advisor: Elaine Garrido Vazquez
Course: Civil Engineering
The lack and the appreciation of space on the surface of the big cities are increasing the
demand for the use of underground space. With the advancement of geological and
geotechnical studies, many tunnels execution methods were improved and are currently
being used. The present paper aims to detail the tunnels execution process by the
NATM (New Austrian Tunneling Method) method, addressing its main concepts,
preliminary activities, support methodology and its methods of control and
instrumentation. More precisely it will be address the rock blasting method with fire
known as Drill and Blast, where its main processes will be studied as the fire plan, rock
drilling, loading with explosives, blasting and vibration control in the rock. For better
understanding of the method in study it was addressed the case of the deviation of River
Joana which addresses the execution of tunnels in the Great Tijuca - RJ and aims the
flood containment in the region.
Keywords: Tunnel, NATM, rock excavation, Drill and Blast
VII
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 1
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO DO TEMA ................................................... 1
1.2 OBJETIVO ............................................................................................. 3
1.3 JUSTIFICATIVA ................................................................................... 3
1.4 METODOLOGIA DE PESQUISA ........................................................ 4
1.5 DESCRIÇÃO DOS CAPÍTULOS .......................................................... 4
2 METODOLOGIA DE EXECUÇÃO DE TÚNEIS ................................... 5
2.1 VALA A CÉU ABERTO (VCA) ........................................................... 5
2.2 MÉTODO MECANIZADO (TBM - TUNNEL BORING MACHINE) .. 6
2.3 NEW AUSTRIAN TUNNELING METHOD (NATM)............................. 8
2.3.1 HISTÓRICO ..................................................................................... 8
2.3.2 CONCEITOS DO NATM ................................................................. 9
2.3.3 INVESTIGAÇÕES GEOLÓGICAS E GEOTÉCNICAS .............. 11
2.3.4 TRATAMENTOS PRELIMINARES À ESCAVAÇÃO ............... 13
2.3.5 MÉTODO DRILL AND BLAST ...................................................... 17
2.3.6 ELEMENTOS DE SUPORTE E REVESTIMENTO DO TÚNEL 21
2.3.7 INSTRUMENTAÇÃO .................................................................... 28
3 CASO ESTUDADO – DESVIO DO RIO JOANA - RJ .......................... 30
3.1 APRESENTAÇÃO DO CASO EM ESTUDO ..................................... 30
3.2 GEOLOGIA DA REGIÃO ................................................................... 32
3.3 TRATAMENTOS PRELIMINARES À ESCAVAÇÃO ..................... 34
3.4 MÉTODO EXECUTIVO EM ROCHA ............................................... 36
3.4.1 PLANO DE FOGO ......................................................................... 36
3.4.2 PERFURAÇÃO DA ROCHA ........................................................ 36
VIII
3.4.3 CARREGAMENTO/DETONAÇÃO ............................................. 37
3.4.4 LIMPEZA/CHOCO ........................................................................ 39
3.4.5 EXECUÇÃO DOS ELEMENTOS DE SUPORTE ........................ 41
3.5 SISMOGRAFIA ................................................................................... 46
3.6 INSTRUMENTAÇÃO ......................................................................... 49
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................... 52
4.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................ 53
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................ 55
REFERÊNCIAS ELETRÔNICAS .................................................................. 57
ANEXO I: PERFIL GEOTÉCNICO/SONDAGENS .................................... 59
ANEXO II: PARÂMETROS DE CLASSIFICAÇÃO DAS ROCHAS ....... 60
ANEXO III: PROJETO DE ENFILAGENS ................................................. 61
ANEXO IV: PLANO DE FOGO ..................................................................... 62
ANEXO V: PROJETO DE ARMAÇÃO DA CAMBOTA ........................... 63
ANEXO VI: PROJETO DE TIRANTE ......................................................... 64
ANEXO VII: RELATÓRIO DE INSTRUMENTAÇÃO .............................. 65
IX
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Túnel romano“Cloaca Massima” .......................................................... 1
Figura 2: Método VCA direto ............................................................................... 6
Figura 3: Tunnel Boring Machine - “Shield” - Metrô de São Paulo .................... 7
Figura 4: Parcialização da seção do túnel ............................................................. 9
Figura 5: Modelo representativo das enfilagens ................................................. 13
Figura 6: Tubo Schedule e Válvula manchete .................................................... 14
Figura 7: Execução de CCPH ............................................................................. 15
Figura 8: Projeto de pregagens ........................................................................... 16
Figura 9: Plano de fogo ....................................................................................... 17
Figura 10: Perfuração da rocha com perfuratriz hidráulica ................................ 19
Figura 11: Execução de concreto projetado ........................................................ 22
Figura 12: Bomba de concreto projetado via úmida por pistões SP 305 ............ 23
Figura 13: Cambota metálica treliçada ............................................................... 24
Figura 14: Representação de um arco invertido ................................................. 25
Figura 15: Malha de aço ..................................................................................... 26
Figura 16: Seção de um túnel com tirantes ......................................................... 27
Figura 17: Instrumentação em obras de túneis ................................................... 29
Figura 18: Topografia da bacia do canal do mangue .......................................... 30
Figura 19: Bacia hidrográfica do canal do Mangue ............................................ 31
Figura 20: Visão geral do traçado ....................................................................... 32
Figura 21: Sondagem SM - 95 ............................................................................ 33
Figura 22: Tabela de classificação do maciço .................................................... 34
Figura 23: Execução de enfilagens tubulares injetadas ...................................... 35
Figura 24: Marcação do plano de fogo no maciço ............................................. 36
Figura 25: Perfuração da rocha com o jumbo ..................................................... 37
Figura 26: Explosivos encartuchados ................................................................. 38
Figura 27: Carregamento da frente com o uso de explosivos ............................. 38
Figura 28: Frente de escavação após a detonação .............................................. 40
Figura 29: Execução de bate choco .................................................................... 41
Figura 30: Adição de fibras de plástico ao concreto projetado........................... 42
Figura 31: Cambota metálica instalada ............................................................... 43
Figura 32: Telas de aço aplicadas no revestimento do túnel .............................. 44
X
Figura 33: Instalação de tirantes ......................................................................... 45
Figura 34: Sismógrafo minimate plus ................................................................. 46
Figura 35: Relatório sismográfico de detonação e explosivos ........................... 47
Figura 36: Raio de influência da detonação........................................................ 48
Figura 37: Edificação abandonada no trajeto do túnel ....................................... 48
Figura 38: Ajuste no plano de fogo .................................................................... 49
Figura 39: Pino de recalque da seção de convergência do túnel ........................ 50
Figura 40: Projeto de locação dos marcos superficiais ....................................... 50
Figura 41: Marcos superficiais ........................................................................... 51
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO DO TEMA
Os túneis segundo Vieira (2003) são passagens artificialmente abertas, em formações
rochosas ou sob o solo, construídas para facilitar o escoamento de água, o acesso a minas e,
principalmente, a comunicação entre locais isolados pela topografia da região.
Apesar dos estudos geológicos e geotécnicos serem relativamente recentes, os túneis são uns
dos mais antigos tipos de construção já realizados pelo homem. O túnel mais antigo que se tem
registro foi construído na Babilônia sob o leito do rio Eufrates a cerca de 4000 anos, com o objetivo
de fazer a ligação entre o palácio e um templo. Os gregos a cerca de 1800 anos atrás construíram
túneis que são utilizados até hoje para o transporte de água. (ASSIS, 2002)
A mais conhecida e impressionante obra de túnel da Idade Antiga foi a “Cloaca Massima”,
ilustrada na Figura 1, uma monumental obra romana de esgoto urbano com dimensões
extraordinárias para a época, chegando a mais de 3 metros de largura e mais de 4 metros de altura.
Figura 1: Túnel romano“Cloaca Massima”
Fonte: http://www.thehistoryblog.com/2016
2
Com o passar do tempo e o crescimento das grandes cidades, logo os estímulos ás
construções de túneis deixaram de ser apenas o de transportar água, como ocorria na Roma Antiga,
e passaram a ser também o de execução de canais de navegação, acesso a minas, passagens
ferroviárias e mais recentemente passagens rodoviárias.
A ampliação do uso dos túneis ampliou também o número de vidas expostas aos riscos da
falta de conhecimento geológico, geotécnico e de execução que faziam parte das construções
subterrâneas. O alto número de acidentes e os desperdícios de recursos neste tipo de obra fizeram
com que os estudos dos solos e as técnicas de execução avançassem, permitindo assim com que
novos métodos construtivos fossem criados e cada vez mais os túneis fizessem parte do dia a dia
das grandes cidades.
No Brasil a indústria tuneleira começou a se desenvolver na segunda metade do século XIX,
mesmo antes do advento de dinamite para a escavação de túneis em rocha. Os primeiros túneis
ferroviários no país foram abertos por volta de 1860. A mais importante obra de túnel neste período
foi na Estrada de Ferro Dom Pedro II, no Japeri - Barra do Piraí, na Serra do Mar no Estado do Rio
de Janeiro. (ROCHA, 2012)
Nos últimos anos vêm ocorrendo um significativo crescimento no número de construções
subterrâneas no país. Conforme consta em Rocha (2012), uma recente pesquisa efetuada pelo
Comitê Brasileiro de Túneis constatou que o volume total construído na década de 1990 era inferior
a quatro milhões de metros cúbicos, nos cinco anos seguintes o volume saltou para mais de onze
milhões, com uma taxa proporcional significativa de aumento de mais de 500%.
Hoje em dia muitos são os métodos utilizados na execução de túneis ao redor do mundo, um
dos mais importantes deles é o NATM (New Austrian Tunneling Method). O método chegou ao
Brasil na década de 1970, para a construção da Ferrovia do Aço entre as cidades de Belo Horizonte
e Rio de Janeiro, e é hoje ao lado do método mecanizado um dos mais utilizados na construção de
túneis no país.
Existem muitos projetos de túnel sendo realizados atualmente no país como as obras do
metrô e do Rodoanel de São Paulo, metrô, Rodovia Transolimpica e Transoeste no Rio de Janeiro,
metrô de Fortaleza e Transposição do Rio São Francisco no estado da Bahia. (MASCARENHAS,
2014)
3
1.2 OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é o de apresentar o método de escavação de túnel NATM (New
Austrian Tunneling Method), abordar seus conceitos básicos, seus elementos estruturais, suas etapas
construtivas e por fim seus mecanismos de controle e execução (instrumentação e sismografia).
Mais precisamente será abordado o método de desmonte de rocha à fogo conhecido como Drill and
Blast, onde serão analisados o processo de perfuração da rocha e de carregamento da frente do túnel
com o uso de explosivos.
Para a melhor compreensão do método, será abordado neste trabalho o caso da obra de
“Desvio do Rio Joana”, na região da Grande Tijuca, Rio de Janeiro. A obra consiste na execução de
túneis pelo método NATM, e tem o intuito de conter as enchentes na bacia do canal do mangue na
região do Maracanã.
1.3 JUSTIFICATIVA
Com o crescente desenvolvimento urbano observado no cenário mundial e nacional, torna-se
cada vez mais necessária a utilização dos espaços subterrâneos a fim de aliviarmos o frequente
“congestionamento” encontrado na superfície das grandes cidades. Tendo em vista este cenário, os
túneis são hoje a melhor solução para diversos tipos de problemas encontrados nas grandes
metrópoles como: a precária drenagem urbana, o caos no trânsito, a falta de espaço e a topografia
desfavorável.
Apesar do grande crescimento no número de construções de túneis no país, o potencial é
ainda maior, já que o Brasil ainda se encontra bastante atrasado em relação a sua infraestrutura
urbana quando comparado a países desenvolvidos. Devido a toda esta demanda, é fundamental o
conhecimento dos mais variados métodos de execução de túneis e suas aplicações, tornando
possível a escolha da melhor solução.
Dentre os principais métodos de execução de túneis utilizados atualmente está o NATM.
Este método possui diversas vantagens como, por exemplo, a pequena interferência na superfície,
tornando-o mais vantajoso do que métodos destrutivos (principalmente em regiões urbanas), e o
4
baixo custo que o colocam a frente de métodos mecanizados que utilizam “tatuzões” para a
escavação.
1.4 METODOLOGIA DE PESQUISA
O trabalho foi desenvolvido baseado em pesquisas a livros técnicos, teses de mestrado,
artigos, manuais técnicos de empresas, sites na internet e através de consultas a engenheiros
especializados na área.
Através da supervisão do orientador acadêmico, das pesquisas bibliográficas e do estudo
prático obtido através do acompanhamento da obra abordada neste trabalho, foi possível a
compilação das informações que serão apresentadas a seguir.
1.5 DESCRIÇÃO DOS CAPÍTULOS
No primeiro capítulo foi abordada a contextualização do tema, onde o autor apresentou um
breve histórico da construção de túneis e abordou o cenário atual no país. Foi abordado também o
objetivo, a justificativa e a metodologia de pesquisa utilizada no trabalho.
No segundo capítulo serão brevemente abordados os métodos de escavação de túneis
mecanizado e destrutivo. Mais detalhadamente será abordado o método NATM, onde serão
apresentados os seus principais conceitos, elementos de suporte e etapas construtivas.
No terceiro capítulo será apresentada a aplicação do método NATM em rocha na obra de
Desvio do Rio Joana, localizada na cidade do Rio de Janeiro. A obra tem o objetivo de conter as
enchentes na região do Maracanã e contempla a execução de 2700 metros de túnel sendo 1500 deles
em rocha.
No quarto e último capítulo será apresentada a conclusão, onde serão abordadas as
considerações finais do autor e onde serão sugeridas propostas de trabalhos futuros na área.
5
2 METODOLOGIA DE EXECUÇÃO DE TÚNEIS
Atualmente existem diversos métodos para a execução de túneis sendo aplicados ao redor do
mundo como, por exemplo, o método da Vala a Céu Aberto (método destrutivo), o método TBM
(método mecanizado), e o New Austrian Tunnelling Method (método NATM). Os métodos foram
evoluindo ao longo dos anos, e hoje, cada um deles possui vantagens e desvantagens que irão ser
decisivas para a escolha da metodologia ideal para cada caso.
A escolha do método construtivo a ser aplicado nem sempre é algo simples a se fazer,
existem diversas variáveis que precisam ser analisadas como o custo, o prazo e as condicionantes
geológicas do local. Além disso, é possível que em uma mesma obra, sejam necessárias a utilização
de mais de um método construtivo, como na linha 4 do metrô do Rio de Janeiro onde houve uma
conjugação dos métodos NATM e TBM.
Neste capítulo serão citados brevemente os métodos VCA, o método TBM, e mais a fundo
será estudado o método NATM, que, tanto no ponto de vista financeiro quanto no ponto de vista de
sua versatilidade, por muitas vezes acaba sendo o mais atrativo deles. Referente ao método NATM,
serão abordados seus principais conceitos, seus elementos de suporte, os tratamentos preliminares
que precedem a escavação, a sequência executiva e os mecanismos de controle para a avaliação da
eficácia do método.
2.1 VALA A CÉU ABERTO (VCA)
Também conhecido como método destrutivo devido às suas interferências na superfície, este
método possui variações, podendo ser feito de forma direta ou invertida. O método direto ou Cut
and Cover consiste na abertura de valas de grandes dimensões e na execução de contenções laterais
nas paredes do solo através de pranchas metálicas ou de madeira, fincadas perpendicularmente ao
solo e travadas e escoradas entre si com o uso de pontaletes e longarinas.
Após a execução do escoramento nas paredes de contenção, poderá então ser construída a
estrutura definitiva do túnel seguida do reaterro do trecho que fora escavado. As etapas do método
direto podem ser observadas na figura 2 a seguir:
6
Figura 2: Método VCA direto
Fonte: http://slideplayer.com.br/2016
O método VCA invertido ou Cover and Cut, é utilizado em casos onde a superfície
interditada necessita ser rapidamente liberada. O método consiste na execução das paredes de
contenção laterais diretamente pela superfície do terreno através de paredes guias. Feitas as
contenções laterais, apenas será necessária a escavação até a laje superior do túnel e não mais até a
parte inferior como no método VCA direto, permitindo assim a rápida liberação do tráfego na
superfície.
Segundo Cerello (1998), as principais dificuldades encontradas na execução de valas a céu
aberto são: a remoção das interferências como as redes de gás, água, esgoto e energia; o
escoramento dos prédios vizinhos à obra a fim de evitar acidentes; e o possível remanejamento do
tráfego e desapropriações na região no entorno da obra.
2.2 MÉTODO MECANIZADO (TBM - TUNNEL BORING MACHINE)
O desenvolvimento de equipamentos mecanizados para a escavação a frio de túneis em
rochas vem crescendo acentuadamente desde a década de 80, desde então vem cada vez mais
tomando o espaço do tradicional método Drill & Blast que usa explosivos para a escavação em
rocha. A eliminação do desconforto ambiental causado pelo uso de explosivos e a velocidade de
7
avanço adquirida com a adoção do método mecanizado são os principais fatores que contribuem
para este crescimento do TBM.
A primeira obra de túnel onde houve a aplicação do método TBM foi realizada na Inglaterra
sob o Rio Tâmisa, em 1825, mediante o avanço de uma couraça metálica que proporcionava
segurança no processo de escavação e revestimento. Com o passar dos anos, essa couraça metálica
evoluiu para diversos tipos de modernos equipamentos tuneladores. No Brasil, o primeiro túnel a
utilizar essa tecnologia foi o Metrô de São Paulo na década de 70. (FRANCO, 2014). O mais
moderno shield em operação no Brasil hoje em dia está sendo utilizado para a construção da Linha
5 – Lilás, do metrô de São Paulo, e pode ser observado na figura a seguir.
Figura 3: Tunnel Boring Machine - “Shield” - Metrô de São Paulo
Fonte: http://www.tuneis.com.br/2016
Existem diversos tipos de máquinas tuneladoras, com variados tamanhos e tipos de terreno
onde possam atuar, porém todos os modelos têm duas funções principais, a escavação e a contenção
do terreno. Isso faz com que todos os equipamentos tenham um sistema de funcionamento bastante
parecido.
As principais vantagens do processo mecânico através de máquinas tuneladoras comparado
com o método tradicional a fogo, são a segurança devido a maior capacidade de sustentação das
paredes, a redução do overbreak (escavação maior do que a necessária) causado pelas explosões, a
maior velocidade de avanço, o menor uso de mão de obra e a diminuição dos danos causados no
entorno da área escavada.
8
As principais desvantagens na utilização do método mecanizado são os altos custos de
aquisição, montagem, instalação e operação do equipamento, tornando sua utilização viável
somente para túneis longos com percursos maiores do que oito quilômetros. Outra importante
condicionante no uso do TBM é relacionada aos diferentes tipos de maciço que podem estar
presentes no traçado dos túneis, e que podem inviabilizar o uso do equipamento que deve operar
corretamente em todos os tipos de maciços presentes no traçado.
2.3 NEW AUSTRIAN TUNNELING METHOD (NATM)
2.3.1 HISTÓRICO
O NATM (New Austrian Tunnelling Method) foi desenvolvido entre 1957 e 1965 por
Pacher e Rabcewicz, que reivindicaram as inovações tecnológicas do concreto projetado e criaram
um método para execução de túneis. O NATM é uma filosofia de projeto e construção baseada em
critérios de observação. O ponto de partida é o sistema de classificação e descrição qualitativa de
maciços rochosos e as condições que estes apresentam quando são escavados. (BALAGUER,
2014). Com o passar do tempo o método foi evoluindo, ganhando destaque e passou a substituir
outros métodos convencionais de escavação de túneis.
A metodologia se fez inovadora devido às vantagens econômicas que se obtinham ao se
aproveitar a capacidade de suporte do terreno. Segundo Campanhã et al. (1998), seu princípio
básico é fazer com que o terreno, em vez de atuar somente como carga sobre o revestimento
do túnel, atue também como um elemento que colabora com resistência da estrutura .
O método chegou ao Brasil pela primeira vez em 1970, na Rodovia dos Imigrantes, e se
implantou definitivamente a partir de 1975 na execução dos 72 km de túneis da Ferrovia do Aço.
Segundo Ribeiro (2000), a maior vantagem do NATM é a liberdade que se tem ao poder
projetar diferentes formas e tamanhos de seções de escavação e ao poder aplicar variadas
sequências construtivas. Isso possibilita com que o projetista seja capaz de adaptar o método para
diferentes tipos de situações e solos, sem que ele fique restrito à disponibilidade de equipamentos,
geometria do túnel ou até mesmo existência de dispositivos e materiais de revestimento.
9
2.3.2 CONCEITOS DO NATM
Um dos mais importantes conceitos do NATM é o princípio da estabilização pelo alívio
controlado das tensões do maciço. Este alívio dá ao maciço a condição de atuar como suporte da
estrutura e não apenas como carregamento. Cada maciço possui um tempo de auto sustentação
diferente e que irá definir o momento ideal para a aplicação dos elementos de suporte como o
concreto projetado e os tirantes. Estes elementos devem ser aplicados após uma acomodação inicial
do maciço e antes de sua desestabilização, de forma a reduzir a dimensão dos suportes necessários.
Outro importante princípio do método NATM é o de parcialização da seção. A melhor
forma de execução de um túnel é a escavação em seção plena com o fechamento mais rápido
possível da seção. No entanto, quer pela limitação de equipamentos ou pela limitação do próprio
maciço, nem sempre isto é possível, tornando necessária a parcialização da seção de escavação de
forma sequencial conforme o exemplo da figura a seguir.
Figura 4: Parcialização da seção do túnel
Fonte: Mascarenhas, 2014
Segundo Campanhã et al. (1998), outro importante conceito do NATM está relacionado com
o formato das seções, devem-se evitar as seções transversais com cantos vivos, dessa forma
elimina-se o problema de concentração de tensões, que pode levar o material do suporte à
plastificação (ruptura). Devem-se privilegiar formatos arredondados que ajudem no equilíbrio das
tensões no maciço, como o formato concatenaria, por exemplo, que induz o suporte a trabalhar
predominantemente sob esforços de compressão.
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No quadro a seguir constam os quinze mais importantes princípios nos quais está baseado o
método NATM segundo Murakami (2001).
Quadro 1 – Conceitos do NATM
CONCEITOS DO NATM
Conceito 1
Através do alívio de tensões, o maciço circundante ao túnel que
inicialmente atua como elemento de carregamento passa a participar do
suporte.
Conceito 2
Preservar a qualidade do maciço circundante tanto quanto possível com
cuidados durante a escavação e aplicação do suporte, evitando o início
de um processo de deterioração do maciço.
Conceito 3
Impedir a deformação excessiva do maciço de forma que ela perca a
capacidade de auto suporte passando a constituir um carregamento sobre
o suporte.
Conceito 4
Trabalhando-se com deformações compatíveis com o maciço a
capacidade autoportante é conservada passando este a trabalhar como
um elemento portante.
Conceito 5
Caracterizar geológica e geotecnicamente o maciço de forma a se obter
o máximo subsídio na definição do melhor método construtivo e para o
dimensionamento do sistema de suporte e do revestimento.
Conceito 6
Adequar a parcialização da frente de escavação em função do
comportamento do maciço, do tempo de auto sustentação, da
deformabilidade do material e dos equipamentos disponíveis.
Conceito 7
Utilizar o suporte adequado em termos de resistência e deformabilidade
no momento certo, tirando partido da capacidade de auto suporte do
maciço.
Conceito 8
Não devem ser deixados espaços vazios entre o suporte e o maciço que
permitam o desagregamento do material e consequente perda da
capacidade de auto-suporte.
Conceito 9
Utilizar-se de elementos de suporte (concreto projetado, telas,
ancoragens e cambotas) necessários e suficientes para impor tensões
confinantes que equilibrem a abertura mantendo as deformações em
níveis aceitáveis.
Conceito 10
Manter o fechamento do AID em distâncias compatíveis com a
capacidade de carga da calota aberta e o mais próximo possível da frente
de escavação.
Conceito 11 Definir uma seção de escavação com a menor área possível.
11
Conceito 12
Conceber formas que privilegiem o equilíbrio dos carregamentos
predominantemente por esforços de compressão, ou seja, procurar
formas arredondadas.
Conceito 13
Realizar o acompanhamento das deformações através de
instrumentação, cujas leituras servirão para subsidiar as revisões e
otimizações do processo construtivo e do projeto, além de permitir o
monitoramento da segurança da obra.
Conceito 14
O acompanhamento das instrumentações deve indicar a total
estabilização dos deslocamentos após a conclusão do suporte e do
revestimento.
Conceito 15 Drenar o maciço sempre que a presença da água possa provocar algum
dano ou mecanismo que ponha em risco a obra e o local de trabalho.
Fonte: Mascarenhas, 2014
2.3.3 INVESTIGAÇÕES GEOLÓGICAS E GEOTÉCNICAS
Antes de se iniciar o projeto de um túnel devem ser realizadas investigações preliminares do
terreno. As construções dos túneis estão diretamente ligadas às características dos solos e das
rochas, portanto suas investigações geológicas e geotécnicas são vitais para o sucesso dos projetos,
facilitando assim sua execução.
No método NATM é fundamental que se conheça cada trecho do túnel, já que é a partir das
características do terreno que serão definidas as metodologias executivas, o dimensionamento do
revestimento, os equipamentos, a mão de obra, os materiais e diversos outros fatores inerentes à
execução do túnel. Uma eficiente investigação geológica geotécnica irá reduzir os custos e prazos
da obra, já uma investigação mal feita pode causar danos irreparáveis na construção do túnel.
Segundo Chiossi (1979) a fase mais importante dos trabalhos preliminares à construção de
um túnel é a exploração cuidadosa das condições geológicas da região. A locação de um túnel,
apesar de depender de outros fatores, somente é definida, após as definições da geologia da região,
pois, dependendo da qualidade do maciço, ou da presença de uma área excessivamente fraturada, o
traçado pode sofrer alterações em relação ao que se tinha previsto.
12
2.3.3.1 CLASSIFICAÇÃO DOS MACIÇOS
As rochas que constituem o planeta Terra são classificadas e agrupadas de acordo com sua
gênese, sua litologia (definida pela maior presença de alguns minerais em sua composição) e
também por suas características estruturais. Assim, para estudos da geologia do planeta foi feita
uma subdivisão em três grandes grupos ou classes: Rochas Ígneas ou Magmáticas, Rochas
Sedimentares e Rochas Metamórficas. (GERALDI, 2011)
Segundo Geraldi (2011), as principais estruturas tectônicas que devem ser consideradas em
um modelo geoestrutural são as provenientes de deformações nos maciços em estado plástico
(dobras, zonas de cisalhamento, foliações, lineações) ou em estado rígido (juntas/fraturas, falhas).
Outros parâmetros importantes na classificação das rochas são as questões geomecânicas do maciço
como, por exemplo, o grau de alteração, a coerência, a resistência e o fraturamento das rochas.
Ainda segundo Geraldi (2011), são adotadas cinco classes para determinar a classificação do
maciço rochoso a ser escavado. Estas classes são definidas de acordo com os parâmetros de
classificação detalhados anteriormente e estão apresentadas no quadro a seguir:
Quadro 2 – Classificação das rochas
CLASSIFICAÇÃO DAS ROCHAS
Classe I
Maciços de rocha sã, sem alterações, coesos e autoportantes, com
ausência de planos de fraturas, que, no entanto poderão ocorrer de
forma isolada.
Classe II Maciços de rocha sã, sem alterações, coesos e autoportantes, porém
já apresentando pelo menos um plano de fratura.
Classe III
Maciços de rocha sã, fraturada, ainda com certo grau de autos
suporte e coesão, porém entrecortados por planos de fraturas
orientados segundo diferentes direções e mergulhos, associadas a
maiores concentrações de agua subterrânea.
Classe IV
Maciços de rocha mais fraturada e apresentando faixas intercaladas
de rocha alterada, com coesão reduzida, autos suporte e
estabilidade temporária, quadro que pode se agravar pela presença
de água subterrânea.
Classe V
Maciços formados por solo de alteração ou rocha totalmente
alterada, com pouca ou nenhuma coesão, ausência de autos suporte
e estabilidade quando escavados. Na presença de água estes
maciços podem ser classificados como Classe VI.
Fonte: Geraldi, 2011
13
2.3.4 TRATAMENTOS PRELIMINARES À ESCAVAÇÃO
Caso o tempo de auto sustentação do maciço seja insuficiente para permitir a execução dos
trabalhos de escavação e suporte, o solo deverá receber um tratamento antes dedar-se continuidade
à escavação. Na figura 5 pode-se observar um modelo representativo de um dos mais frequentes
tipos de tratamento utilizados em obras de túneis, as enfilagens. Estas enfilagens são instaladas na
parte superior da frente do túnel, servindo como uma “laje” que irá suportar parte da carga acima do
túnel, e aumentando então o tempo de sustentação do maciço.
Figura 5: Modelo representativo das enfilagens
Fonte: Solotrat engenharia geotécnica, 2016
O tratamento do solo pode ser executado de diversas maneiras, para se definir qual o melhor
tipo de tratamento a ser executado deve ser feito um estudo geológico e geotécnico para se
determinar qual a classificação do maciço e seu tempo de sustentação. Nos itens a seguir serão
abordados os principais tipos de tratamentos do solo executados em túneis.
2.3.4.1 ENFILAGENS MECÂNICAS
Este tratamento consiste na cravação de barras ou chapas de aço no maciço através de
martelos pneumáticos. Este tipo de tratamento não possui injeção de calda de cimento. A
sustentação dada ao maciço com este tipo de tratamento é pouco significativa, sendo utilizada
14
apenas quando o solo já possui certa auto sustentação. Outra situação onde este tipo de tratamento é
adotado é quando por condições de vizinhança desfavoráveis evitam-se tratamentos que utilizam
injeções de calda de cimento e que possam causar movimentações no terreno.
2.3.4.2 ENFILAGEM TUBULAR INJETADA
Neste tipo de enfilagem primeiramente são executados os furos na abóboda do túnel através
de uma perfuratriz, logo em seguida é introduzido no furo um tubo de aço. Estes tubos possuem
furos onde são instaladas válvulas manchete (figura 6), esta válvula é composta por borrachas que
vedam os furos. Junto ao tubo são amarradas mangueiras por onde será injetada a calda de cimento
até que a pressão seja suficiente para que as válvulas manchetes se rompam.
É comum que antes da execução da injeção necessária para romper as manchetes, seja
executada a bainha, uma injeção de baixa pressão para preencher o espaço anelar de melhor forma
possível. Após a realização da injeção, as enfilagens formam então um arco resistente de proteção
acima da seção de escavação do túnel, tornando mais seguro o seu avanço.
Figura 6: Tubo Schedule e Válvula manchete
Fonte: Autor, 2016
15
2.3.4.3 COLUNAS DE CCPH
As colunas de CCPH (Cement Churning Horizontal Pile) são originárias da tecnologia Jet
Grounting que nada mais é do que uma tecnologia de consolidação de solos que permite a execução
in loco, sem escavação, de corpos de solo-cimento de forma aproximadamente cilíndrica, dotados
de elevadas características mecânicas e impermeabilidade. (SOUZA, 2003)
Para a execução do CCP inicialmente é executado o furo através de hastes de uma
perfuratriz roto-percussiva. Juntos a haste que executa a perfuração, existem bicos injetores que
fazem a injeção da calda de cimento ao mesmo tempo em que lentamente é retirada a haste do furo.
Está injeção é feita sob alta pressão de bombeamento (superiores a 300 kgf/cm²) gerando uma
energia cinética capaz de desagregar o solo e formar então uma coluna de solo-cimento de diâmetro
variável (0,40 a 1,00 m).
Na figura a seguir pode ser observada a frente de serviço de um túnel após a execução das
colunas de CCP.
Figura 7: Execução de CCPH
Fonte: Souza, 2003
16
2.3.4.4 ENFILAGEM DE BULBO CONTÍNUO
A enfilagem de bulbo contínuo é similar à execução do CCP horizontal com a diferença de
que após a execução da coluna de solo-cimento é introduzido no furo um tubo de aço dando
armação à coluna.
2.3.4.5 PREGAGENS
Alguns maciços apresentam-se tão instáveis que a frente de escavação desmorona,
prejudicando a execução dos serviços e a segurança dos operários. Para que se resolva esta situação,
muitas vezes é necessária a execução das pregagens (figura 8). A execução consiste na perfuração
horizontal da frente de serviço, e instalação de tubos rígidos de PVC com diâmetro de 64 a 100
milímetros com até 15 metros de comprimento. Depois de instalados os tubos, são realizados então
injeções com calda de cimento. (GERALDI, 2011)
Figura 8: Projeto de pregagens
Fonte: Obra de Desvio do Rio Joana (Vallejos Engenharia LTDA, 2016)
17
2.3.5 MÉTODO DRILL AND BLAST
O método NATM pode ser aplicado na escavação de túnel em solo ou em rocha. De acordo
com Geraldi (2011), nas escavações dos túneis em rocha ainda predominam as técnicas da
metodologia tradicional, denominada mundialmente como metodologia D&B - Drill and Blast
(perfuração e detonação). Esta metodologia é composta por várias etapas que precisam ser
executadas ordenadamente, formando um ciclo de escavação bem definido. Nos itens a seguir serão
tratados cada uma dessas etapas.
2.3.5.1 PLANO DE FOGO
Antes de se iniciar a perfuração da frente para a execução do carregamento com explosivos é
necessário que se tenha em mãos o plano de fogo. No plano de fogo será definida a disposição dos
furos que serão carregados com os explosivos. Os furos devem ser devidamente marcados e
perfurados dentro da seção de escavação, e são diferenciados em função da sua localização na
seção. Na figura a seguir pode ser observado um projeto de plano de fogo.
Figura 9: Plano de fogo
Fonte: Obra de Desvio do Rio Joana (Vallejos Engenharia LTDA, 2016)
18
Os furos do pilão são aqueles localizados no centro da seção e cuja função é promover a
abertura inicial da frente a ser detonada. Além dos furos de pilão existem os furos de contorno
(localizados na borda da seção), os furos de sapateira (localizados na base da seção) e os furos de
alívio localizados no pilão e cuja função é auxiliar no corte do maciço.
Conforme consta em Franco (2014), a profundidade dos furos do plano de fogo, assim como
a condições geológicas e geomecânicas do maciço, são os fatores determinantes para projetar o
avanço de cada detonação em uma frente de escavação. Segundo Geraldi (2011), um plano de fogo
corretamente planejado e executado garantirá um avanço por detonação da ordem de 90% a 95% da
profundidade dos furos.
Um projeto de plano de fogo deve conter quais serão os tipos e quantidades de explosivos a
serem utilizados, a profundidade e o diâmetro dos furos, a quantidade de furos, a área da seção de
escavação, o volume de rocha a ser escavado, o avanço médio projetado, a razão de perfuração
(m/m³), a razão de carga (Kg/m³) e a distribuição de retardos por tempo de espera.
É importante notar que cada furo tem um tempo de detonação diferente, e que são definidos
através dos retardos. Estes retardos possuem a acurácia de milissegundos e são os responsáveis por
dar à detonação um melhor aproveitamento, já que a partir deles é criada a face livre no pilão que
permite com que o maciço quebre mais facilmente.
2.3.5.2 PERFURAÇÃO DA ROCHA
O método Drill and Blast consiste na perfuração e detonação da frente do túnel. Para a
execução destes furos são usadas perfuratrizes. Segundo Franco (2014) estas perfuratrizes podem
ser divididas em três grandes grupos de acordo com o princípio mecânico utilizado (percussão,
percussão + rotação, rotação). Cada modelo possui sua aplicação, vantagens e desvantagens,
necessitando assim que haja um estudo preliminar antes da escolha do equipamento que será usado.
Por muito tempo foram utilizadas perfuratrizes pneumáticas para a perfuração de rochas,
porém, devido a grande perda de ar comprimido comum neste tipo de operação, recentemente esses
equipamentos vem sendo substituídos por alternativas como, por exemplo, os conjuntos de
acionamento hidráulico. Esses conjuntos hidráulicos, conhecidos também como jumbo, são mais
19
potentes e conseguem perfurar a rocha com velocidades até duas vezes maiores do que os outros
tipos de rompedores. (FRANCO, 2014)
O dimensionamento e a seleção das perfuratrizes devem ser em função da área da seção de
escavação, do avanço médio previsto, da velocidade de perfuração que se deseja obter e da litologia
e condições estruturais dos maciços rochosos. Na figura a seguir pode-se observar um modelo
esquemático de uma perfuratriz executando a furação do maciço.
Figura 10: Perfuração da rocha com perfuratriz hidráulica
Fonte: http://www.portomaravilha.com.br/2016
2.3.5.3 CARREGAMENTO DOS EXPLOSIVOS
Após a perfuração da rocha deve ser realizado então o carregamento da frente de serviço
com o uso de explosivos. Segundo Geraldi (2011) uma substância pode ser considerada explosiva
quando sofre transformações químicas imediatas e violentas ao ser devidamente iniciada ou ativada,
passando do estado sólido ou liquido para o estado gasoso em um tempo infinitesimal, produzindo
grande quantidade de energia em forma de gases sob altas pressões e temperaturas.
Os explosivos fabricados no Brasil podem ser separados em quatro classes, que são as
pólvoras; as dinamites (gelatinosos e sem gelatinosos); os ANFO e série NCN (nitrato de amônio);
e as emulsões oxidantes.
Segundo Franco (2014) três conceitos importantes no estudo de explosivos são: velocidade
de detonação, a densidade, e a razão de carga dos explosivos. Pode-se definir a velocidade de
detonação como a velocidade de transformação da massa explosiva, que está na faixa de 2500 m/s
20
até 7000m/s. A densidade de um explosivo é a relação entre a concentração de carga explosiva por
metro linear de furo. Por fim, a razão de carga que é definida pela quantidade de explosivo,
geralmente expressa em gramas, necessário para fragmentar 1 m³ de rocha.
De acordo com Geraldi (2011), pode-se fazer uma pré-seleção dos explosivos em função da
rocha a ser detonada. As Rochas duras, como granitos, gnaisses e basaltos, requerem explosivos
velozes e de alta densidade, já as rochas mais frágeis, como arenitos, calcários e formações rochosas
alteradas, muito fraturadas ou estratificadas, demandam explosivos mais lentos e de baixa
densidade.
Para viabilizar a detonação são necessários vários acessórios com diferentes funções, todos
eles projetados e desenvolvidos para que os envolvidos na atividade tenham o máximo de segurança
possível. Alguns dos acessórios fabricados no Brasil são os estopins de queima, o cordão ignitor, as
espoletas elétricas, o cordel detonante, os retardos e os iniciadores eletrônicos.
2.3.5.4 CONTROLE DE VIBRAÇÃO / SISMOGRAFIA
A detonação com o uso de explosivos na escavação de túneis libera uma grande quantidade
de energia. Entretanto, apenas uma pequena parte dessa energia, cerca de 30%, é consumida para
fragmentar a rocha. A outra parte dessa energia liberada se transforma em ondas mecânicas, que
percorrem o meio sólido, gerando vibrações e calor. (FRANCO, 2014)
Devido a estas vibrações que se propagam pelo maciço, é de fundamental importância o seu
acompanhamento, principalmente em áreas urbanas onde edificações podem ser afetadas. Esse
controle e monitoramento das vibrações serão feitos através da instrumentação sísmica com auxilio
de equipamentos denominados sismógrafos. Os sismógrafos irão gerar relatórios que servirão de
parâmetro para a avaliação dos efeitos da detonação no maciço.
Para caracterizar as vibrações no interior do maciço é usual utilizar o conceito de velocidade
de partícula que, segundo Geraldi (2011), é a velocidade de vibração induzida a uma partícula do
maciço rochoso por uma detonação. Esse parâmetro é considerado o que melhor caracteriza o
comportamento da propagação das vibrações no interior da rocha e é medido em variadas direções.
21
Os riscos de ocorrência de danos induzidos por vibrações do terreno devem ser avaliados
levando-se em consideração a magnitude e a frequência da velocidade de vibração de partícula de
pico. Como cada tipo de estrutura apresenta uma frequência natural de vibração, pode-se
estabelecer um limite de velocidade de vibração de partícula de pico (mm/s) aceitável em áreas
residenciais para que não ocorram danos às mesmas. (MASCARENHAS, 2014)
2.3.6 ELEMENTOS DE SUPORTE E REVESTIMENTO DO TÚNEL
Um dos principais elementos responsáveis por suportar as cargas do maciço em uma obra de
túnel pelo método NATM é o concreto, mais precisamente o concreto projetado. Porém, até que o
concreto atinja resistência suficiente para suportar tais esforços, são necessários alguns elementos
de suporte para atuar nos momentos iniciais logo após a projeção do concreto. A seguir serão
tratados os principais elementos de suporte utilizados no método NATM.
2.3.6.1 CONCRETO PROJETADO
Segundo Silva (1997) entende-se por concreto projetado como sendo o concreto (cimento,
areia, pedrisco, água e aditivos) que é transportado por um mangote de borracha desde o
equipamento de projeção até um bico, onde por meio de ar comprimido é projetado a grande
velocidade contra uma superfície (figura 11).
O concreto projetado é aplicado em diversos tipos de projetos, porém seu uso dá-se
principalmente em obras subterrâneas, onde suas características como a boa adaptação em
diferentes tipos de superfícies, sua facilidade e sua agilidade na projeção do concreto são de grande
valia. As primeiras aplicações de concreto projetado no Brasil ocorreram em 1970, na execução dos
túneis da rodovia dos imigrantes. Com a introdução do método NATM, o concreto projetado vem
sendo largamente empregado na formação do revestimento de estruturas de obras subterrâneas
(AMARAL FILHO, 1995).
22
Figura 11: Execução de concreto projetado
Fonte: Solotrat engenharia geotécnica, 2016
Devido às excessivas acomodações do solo ocasionadas pela demora na aplicação do
revestimento dos túneis, torna-se fundamental em obras deste tipo a utilização do concreto
projetado, que graças a sua facilidade e agilidade de execução, colaboram com a capacidade de auto
suporte do maciço escavado.
A reflexão de agregados e os desplacamentos de concreto, que podem chegar a 50% do
volume projetado, são os principais inconvenientes do uso desta técnica. Entre as vantagens estão às
economias de custo e de prazo, em que devido à capacidade de auto sustentação do concreto, não é
necessária a utilização de formas, desformas e escoramentos. (VIEIRA, 2003)
Existem duas formas para a execução do concreto projetado, a projeção via seca e a projeção
via úmida, diferindo entre si principalmente pelo momento em que a água é adicionada na mistura
do concreto. Na projeção via seca os materiais secos (areia, cimento, aditivos e pedriscos) são
misturados na bomba sem a adição de água e impulsionados por ar comprimido através de um
mangote de borracha até um bico de projeção. A água só é adicionada a mistura no bico de projeção
através de outra bomba de alta pressão.
A quantidade de água na mistura é regulada pelo mangoteiro (profissional que possui a
função de lançar concreto projetado), por tal motivo o concreto projetado por via seca vem sendo
cada vez menos usado já que se torna mais difícil o seu controle de qualidade comparado com a
projeção via úmida.
23
Suas principais vantagens em relação à projeção via úmida são os baixos custos de locação
do equipamento e a menor quantidade de cimento utilizado na mistura. Suas desvantagens são a
maior reflexão (perda), maior produção de poeira, requer grande volume de ar comprimido e possui
produtividade baixa (4m³/h). (VIEIRA,2003).
Diferente da projeção via seca, na projeção via úmida o concreto é lançado já com a adição
de água na bomba (cimento, areia, água, pedrisco e aditivos). A adição do aditivo acelerador de
pega é apenas realizada no bico do mangote. A qualidade do concreto projetado via úmida vai
depender de sua correta dosagem, homogeneização e correto teor de aditivo superplastificante e
acelerador de pega.
O processo de projeção via úmida permite um melhor controle do fator água/cimento, o que
resulta em uma maior uniformidade tanto do produto como no acabamento da superfície tratada.
Outras vantagens são o menor ricochete de agregados, o menor consumo de ar e a melhor
conservação dos equipamentos de projeção e seus acessórios. Na figura a seguir pode ser observado
um equipamento de projeção via úmida.
Figura 12: Bomba de concreto projetado via úmida por pistões SP 305
Fonte: https://www.duxbb.com.br/2016
Para grandes volumes aplicados, como em obras de túneis, é essencial a utilização de
aditivos, aceleradores de pega. Neste aspecto o projetado por via úmida apresenta vantagens já que
ao permitir uma melhor uniformidade, o produto tende a reduzir o consumo de aditivos e apresentar
características melhores que o via seca, no entanto o consumo de cimento é maior para as mesmas
resistências obtidas no processo de via seca.
24
2.3.6.2 CAMBOTAS METÁLICAS
As cambotas são perfis metálicos geralmente em forma de arco (figura 13), laminados ou
treliçados, aparafusados e soldados. Possuem diversas funções como a de suportar as cargas iniciais
do terreno, servir de gabarito para o revestimento de concreto, guia para o correto alinhamento do
túnel, guia para a execução do tratamento do solo e apoio para a colocação de telas de aço ao redor
do túnel.
Figura 13: Cambota metálica treliçada
Fonte: Autor, 2016
A cambota só começa a atuar quando encosta totalmente no maciço, por isso é importante o
preenchimento por completo do espaço entre a cambota e o maciço com concreto projetado. Após o
concreto endurecer e adquirir resistência suficiente, a cambota deixa de ter função estrutural já que
o concreto por si só passa a resistir aos esforços solicitantes, por esse motivo as cambotas
geralmente não entram nos cálculos estruturais de resistência. (ZANELATO, 2003)
2.3.6.3 ARCO INVERTIDO DEFINITIVO (AID)
Os arcos invertidos ou “inverts” são necessários em escavações de túneis em solos não
consolidados ou quando existem esforços laterais advindos da movimentação do maciço. Essas
25
estruturas podem ser de concreto armado ou projetado, provisórios ou definitivos, dependendo das
condições do maciço e da seção empregada. (BALAGUER, 2014)
O suporte do túnel trabalha como um anel contínuo, que deve ser concluído o mais
brevemente possível, para isso, após a colocação das cambotas e do revestimento do túnel, deve ser
executado o AID para que haja o fechamento do arco da seção. Na figura a seguir pode-se observar
um modelo representativo do AID.
Figura 14: Representação de um arco invertido
Fonte: Autor, 2016
2.3.6.4 TELAS DE AÇO
Segundo Geraldi (2011), as telas metálicas soldadas são elementos de suporte bastante
utilizados em solo e em rochas muito alteradas. Após a aplicação de uma pequena camada de
concreto projetado com aproximadamente três centímetros de espessura, as telas são fixadas com o
auxílio de pequenos chumbadores. Em seguida é projetada uma nova camada de concreto,
incorporando a tela ao maciço.
As telas de aço quando aplicadas em túneis executados em solo e que utilizam cambotas
metálicas, geralmente são aplicadas apenas no revestimento secundário de concreto. Na figura a
seguir pode ser observada uma representação de tela metálica em associação com o concreto
projetado.
26
Figura 15: Malha de aço
Fonte: Campanhã et al., 1998
2.3.6.5 FIBRAS PARA CONCRETO PROJETADO
Em execução de túneis em rocha costuma-se usar o concreto projetado com a adição de
fibras. Estas fibras, geralmente de aço, substituem o uso de telas e cambotas metálicas comuns na
escavação em solo. Segundo Campanhã et al. (1998), outra grande vantagem da utilização do
concreto projetado com fibras de aço, principalmente em rochas, é o de permitir acompanhar as
irregularidades da superfície escavada, não havendo vazios.
A adição de fibras de aço minimiza o comportamento frágil característico do concreto,
tornando-o um material pseudo dúctil, ou seja, continua apresentando uma resistência residual a
esforços nele aplicados mesmo após sua fissuração. A alteração do comportamento é função das
características das fibras, da matriz do concreto e da sua interação. Com isto o material passa a ter
exigências específicas para seu controle de qualidade, dosagem e mesmo aplicação, diferentes do
concreto convencional.
As possibilidades de aplicação do material são ampliadas, para algumas aplicações o
concreto reforçado com fibras apresenta vantagens tecnológicas e econômicas em relação ao
convencional, como é o caso do revestimento de túneis. Com a utilização de fibras o revestimento
do túnel não necessita a instalação de telas metálicas, o que acaba por agilizar o processo produtivo
e diminuindo os custos com a mão de obra.
Além das fibras de aço existem também as fibras feitas de polímeros sintéticos como, por
exemplo, as fibras de polipropileno e polietileno, que com os avanços tecnológicos conseguem
27
atingir resultados estruturais tão satisfatórios quanto às fibras de aço. Além de terem um custo
menor, as fibras feitas de polímeros sintéticos possuem algumas vantagens em relação às fibras
metálicas como, a maior resistência ao fogo, a baixa condutibilidade elétrica e o manuseio
facilitado.
2.3.6.6 TIRANTES
Os Tirantes são elementos lineares capazes de transmitir esforços de tração entre suas
extremidades. Nas aplicações geotécnicas os tirantes possuem uma extremidade que fica fora do
terreno (cabeça de ancoragem), e um trecho enterrado que pode ser classificado como livre ou
ancorado. Além disso, os tirantes podem ser classificados como tensionados ou não tensionados.
Sua aplicação em obras de túneis tem por objetivo aplicar esforços de compressão no maciço,
reduzindo assim os processos de movimentação, deformação e ruptura.
Figura 16: Seção de um túnel com tirantes
Fonte: Obra de Desvio do Rio Joana (Vallejos Engenharia LTDA, 2016)
A aplicação é feita ao longo do túnel de forma radial, a malha de tirantes terá espaçamentos
definidos em projeto em função das características geológicas do maciço. Segundo Geraldi, 2011 a
utilização dos tirantes produz um arco de maciço sob forte compressão, conferindo maior
estabilidade à seção escavada. Recomenda-se antes de iniciar a perfuração para instalação dos
28
tirantes a aplicação de uma camada de concreto projetado de 2 a 5 cm de espessura logo após a
escavação e remoção dos chocos.
Os furos para a instalação dos tirantes são executados pelo jumbo, ou martelos pneumáticos.
Para que a carga de trabalho dos tirantes seja atingida, são utilizadas junto a eles resinas químicas.
2.3.7 INSTRUMENTAÇÃO
A execução de túneis em solo ou em rocha está associada a uma mudança no estado de
tensões atuantes no maciço circundante. Essas mudanças de tensões causam movimentações que
tendem a se propagar pelo terreno até atingir a superfície do solo podendo então gerar recalques.
Dependendo da magnitude destes recalques, efeitos indesejáveis podem aparecer nas estruturas
vizinhas à escavação ou até mesmo na própria estrutura do túnel, tornando obrigatório o controle
das movimentações do solo, principalmente em áreas urbanas. O controle destas movimentações é
feito através do uso da instrumentação.
A instrumentação é instalada para medir, conhecer e monitorar os movimentos do solo, tanto
os superficiais como os no interior do maciço. Além disso, também medem pressões e esforços
sobre elementos estruturais, tanto antes como durante a execução da escavação, permitindo então
que sejam verificados os parâmetros de projeto e a eficácia do método. O NATM preconiza o uso
da instrumentação e a tem como um de seus princípios básicos.
Segundo Murakami (2011), através da instrumentação, pode-se monitorar a necessidade de
melhorias no desempenho do método construtivo, de forma a evitar ao máximo os danos nas
edificações e utilidades provocados por distorções e recalques.
Existem diferentes tipos de instrumentação, cada um deles com diferentes funções, na figura
a seguir pode ser observada uma representação com os principais instrumentos utilizados em obras
de escavação de túnel.
29
Figura 17: Instrumentação em obras de túneis
Fonte Murakami,2001
Os marcos superficiais e os tassômetros são respectivamente responsáveis por controlar os
recalques na superfície do terreno e no interior do maciço logo acima da escavação. Os pinos de
recalque controlam as movimentações de edificações vizinhas à escavação e os recalques no interior
do túnel através de seções de convergência. Por fim são utilizados indicadores de nível d’água e
piezômetros responsáveis por controlar o nível freático e a pressão hidráulica no maciço.
A instrumentação irá gerar relatórios onde será possível a verificação dos recalques que
ocorrem tanto externa quanto internamente ao túnel. Para o melhor controle destes recalques,
devem ser definidos níveis de alerta e procedimentos a serem seguidos caso estes níveis sejam
atingidos. A diminuição dos avanços e a utilização de elementos de suporte são uma das medidas a
serem tomadas para a diminuição dos recalques.
Além da magnitude dos recalques, outro importante elemento a ser controlado através do
uso da instrumentação é a velocidade com que eles ocorrem, o que torna fundamental o
acompanhamento constante das movimentações do terreno.
30
3 CASO ESTUDADO – DESVIO DO RIO JOANA - RJ
Neste capítulo serão analisados os projetos e a metodologia executiva aplicada nos trechos
em rocha na execução dos túneis da obra de Desvio do Rio Joana na região da Grande Tijuca no
Rio de Janeiro. A obra tem como função o escoamento da água do Rio Joana, servindo como
estrutura de macro drenagem e solução para os problemas de enchentes na região.
3.1 APRESENTAÇÃO DO CASO EM ESTUDO
Os problemas com enchentes e inundações são uma realidade constante na região
metropolitana do Estado do Rio de Janeiro, principalmente na região da Grande Tijuca. Sua
constituição geomorfológica e geográfica, como pode ser observada na figura 18, se encontra em
meio a montanhas, serras e rios, tornando a topografia da região extremamente complexa e
problemática. Além disso, há o crescimento desordenado da região e a impermeabilização do solo,
o que acaba por agravar ainda mais a situação.
Figura 18: Topografia da bacia do canal do mangue
Fonte: www.youtube.com/2016
31
A obra em questão engloba os bairros da Tijuca, Vila Isabel, Grajaú e Andaraí, e foi
dimensionada de forma a minimizar o problema de escoamento das águas pluviais na região, e
reduzir drasticamente a lâmina d’água no caso de enchentes, garantindo melhoria na qualidade de
vida e maior segurança a população. A obra consiste na execução de túneis e galerias que servirão
para desviar parte da vazão do Rio Joana para a Baía de Guanabara, visando o controle de enchentes
da bacia do Canal do Mangue (figura 19).
Figura 19: Bacia hidrográfica do canal do Mangue
Fonte: www.youtube.com/2016
A obra como um todo possui uma extensão de 3466 metros, sendo 2765 metros em túnel e o
restante formado por galerias abertas e fechadas. Nos trechos em túnel são previstos 1531 metros
em rocha e o restante em solo. O método construtivo utilizado na execução dos túneis foi o NATM,
isto devido aos inconvenientes gerados ao se utilizar o método destrutivo em uma região urbana
como a região da Grande Tijuca e ao alto custo demandado ao se utilizar o método de escavação
mecanizado para um trecho de apenas 2,7 quilômetros.
Devido à extensão do Projeto, o mesmo foi subdivido em trechos, a fim de facilitar o
gerenciamento da obra. Ao longo da extensão do túnel foram executados cinco poços de emboque
(A, B, C, D e E). Na figura a seguir pode ser observada uma visão geral do traçado do túnel e
localização dos cinco poços de emboque.
32
Figura 20: Visão geral do traçado
Fonte: Autor, 2016
3.2 GEOLOGIA DA REGIÃO
Para que o perfil geotécnico da região fosse elaborado foram realizadas sondagens mistas.
Nestas investigações geotécnicas foram executadas sondagens a percussão com ensaios SPT nos
trechos em solo, e sondagens rotativas para trechos em rocha.
As profundidades das sondagens foram programadas em função do greide de projeto do
túnel (cota de base), e caso fossem detectadas condições de impenetrabilidade, o furo deveria seguir
pelo método rotativo em rocha até a cota programada. As sondagens a percussão foram executadas
conforme a NBR-6484 da ABNT.
O traçado do túnel foi todo estaqueado, no anexo I deste trabalho pode ser observado o perfil
geotécnico e as sondagens do trecho em rocha entre as estacas 120 e 125, à montante do poço de
emboque “A”. São apresentadas neste perfil as sondagens SM – 95, SM – 51, SM – 102, SM – 97 e
SM – 65. Parte da sondagem SM – 95 pode ser observada com maior detalhe na figura a seguir.
33
Figura 21: Sondagem SM - 95
Fonte: Obra de Desvio do Rio Joana (Vallejos Engenharia LTDA, 2016)
A partir dos boletins de sondagem foram verificados alguns parâmetros de classificação do
maciço rochoso como, o grau de coerência da rocha, as características das descontinuidades do
maciço, o grau de faturamento, o grau de alteração e o RQD da rocha. No anexo II deste trabalho
pode ser observado como foram feitas as classificações destes parâmetros.
Com base nos parâmetros de classificação representados nas sondagens, foi possível a
classificação de todos os trechos em rocha e a elaboração de um perfil longitudinal detalhando as
características de cada um dos trechos da obra. Com base neste perfil obtiveram-se informações a
respeito dos elementos de suporte e dos equipamentos que seriam necessários para a execução do
túnel em cada trecho. A classificação do maciço foi feita a partir de características como o tempo
médio de sustentação sem suporte, da coesão, e do ângulo de atrito do maciço. Na figura 20 a seguir
pode ser observado como se apresentou esta classificação na obra em questão.
34
Figura 22: Tabela de classificação do maciço
Fonte: Obra de Desvio do Rio Joana (Vallejos Engenharia LTDA, 2016)
A partir desta classificação, foi possível então que se elaborasse um perfil longitudinal do
túnel, detalhando as características de cada trecho e definindo a metodologia executiva de cada um
deles. A classificação do maciço irá definir alguns parâmetros do túnel como a espessura do
revestimento de concreto projetado e a quantidade de tirantes necessária na seção.
3.3 TRATAMENTOS PRELIMINARES À ESCAVAÇÃO
Nos trechos em rocha não é usual a execução de tratamentos preliminares a escavação,
exceto nos trechos com maciço rochoso fraco, muito fraturado e de baixa coesão. Nestes trechos
foram executadas enfilagens tubulares injetadas com comprimento de doze metros, sendo três
metros executados com tubo PVC e os nove metros restantes com a utilização de tubo de aço
galvanizado tipo schedule. No anexo III deste trabalho pode ser observado o projeto de enfilagens
tubulares utilizadas no projeto.
As manchetes foram colocadas a cada metro, e a injeção executada com fator água-cimento
1,0 (um). Na execução das enfilagens foi feita a injeção de um volume correspondente a dois sacos
de cimento a cada manchete. Antes da cada injeção definitiva estava prevista a injeção da bainha.
Os furos no maciço para a execução das enfilagens tubulares foram feitos através de uma
perfuratriz pneumática. A execução dos furos pode ser observada na figura 23 a seguir.
35
Figura 23: Execução de enfilagens tubulares injetadas
Fonte: Autor, 2016
Em alguns trechos foram utilizados também enfilagens mecânicas com a cravação de barras
de aço no solo através de martelos pneumáticos. Seu uso se deu devido ao intenso desplacamento
ocorrido em alguns trechos do túnel.
Em trechos de maciço muito alterado e com a ocorrência de grande volume de água foram
utilizados barbacãs e drenos horizontais profundos (DHP) para retirar a água de dentro do maciço e
tornar mais seguro os serviços no interior do túnel.
36
3.4 MÉTODO EXECUTIVO EM ROCHA
3.4.1 PLANO DE FOGO
O primeiro passo na escavação de um túnel em rocha é a marcação do plano de fogo na
frente de escavação com o auxílio de tinta (figura 24), esta marcação é feita pela equipe de
topografia através do uso de uma estação total e irá auxiliar na perfuração executada pelo jumbo.
O plano de fogo utilizado na obra possuía furos de sapateira, de contorno, de alívio e de
pilão. Devido ao tamanho reduzido da seção de escavação, não foi necessária a execução de plano
de fogo parcializado. No anexo IV deste trabalho pode ser observado o projeto do plano de fogo
utilizado, o detalhe do pilão, e algumas informações referentes a seção de escavação.
Figura 24: Marcação do plano de fogo no maciço
Fonte: Autor, 2016
3.4.2 PERFURAÇÃO DA ROCHA
Após a marcação do plano de fogo, pode então ser iniciada a perfuração do maciço feita pelo
jumbo. O tempo de execução da perfuração depende do equipamento utilizado, neste caso o serviço
levava em torno de duas horas para ser executado. Para garantir a correta perfuração do maciço de
37
acordo com o projeto de plano de fogo, era realizado na obra um controle da profundidade e de
inclinação dos furos.
Além da perfuração do plano de fogo, neste momento o jumbo era utilizado também para a
execução dos furos onde seriam instalados os tirantes. Na figura a seguir pode ser observado o
jumbo executando a perfuração conforme indicado no plano de fogo.
Figura 25: Perfuração da rocha com o jumbo
Fonte: Autor, 2016
3.4.3 CARREGAMENTO/DETONAÇÃO
Após a execução dos furos, era iniciado então o carregamento da frente com o uso de
explosivos encartuchados. Os explosivos utilizados eram do tipo DINAPEX 100 (figura 26),
explosivos de emulsão com diâmetro de 1 ½” e 60 centímetros de comprimento. Todo o
carregamento era realizado com a supervisão do blaster, profissional responsável por aplicar as
informações definidas no projeto de plano de fogo na frente de serviço do túnel.
38
Figura 26: Explosivos encartuchados
Fonte: Autor, 2016
Muitas vezes os furos encontravam-se obstruídos com pedaços de rocha, e necessitavam
limpeza com o auxílio de ar comprimido para que pudessem ser carregados. Para auxiliar no
carregamento dos furos mais altos era utilizado um manipulador, equipamento dotado de plataforma
e capaz de içar pessoas até pontos mais altos. Na figura a seguir pode ser observado o carregamento
da frente de serviço do túnel.
Figura 27: Carregamento da frente com o uso de explosivos
Fonte: Autor, 2016
39
Para que os explosivos fossem colocados com o espaçamento adequado dentro dos furos,
eram utilizados pedaços de bambu onde eles eram amarrados e inseridos nos furos. Cada explosivo
possuía um acessório conhecido como retardador, responsável por dar aos explosivos diferentes
tempos de detonação. Eram conectados nos explosivos acessórios denominados brinéis,
responsáveis por interligar todos explosivos a apenas um fio central, denominado cordel. Este
cordel era levado até o exterior do túnel e conectado a uma caneta iniciadora responsável por iniciar
a detonação.
Por motivos de segurança, a partir do momento em que se iniciava o carregamento da frente
de serviço, o túnel era evacuado, permanecendo dentro dele apenas os profissionais responsáveis
por realizar o carregamento. Assim que o carregamento era concluído, o túnel era completamente
evacuado e a detonação era realizada do lado de fora do túnel com o auxílio de um cordel detonante
e uma caneta iniciadora. Antes que fosse iniciada a detonação era tocada uma sirene por três vezes
consecutivas a fim de alertar a vizinhança da obra.
3.4.4 LIMPEZA/CHOCO
Após a detonação eram necessários em torno de quarenta minutos de espera para que os
serviços dentro do túnel fossem retomados, isso porque após a detonação os explosivos emitem
gases tóxicos nocivos à saúde e que eram retirados do interior do túnel com o auxílio de um potente
ventilador.
Assim que estes gases eram expulsos do interior do túnel, era então iniciado o processo de
limpeza da frente de serviço, que após a detonação encontrava-se obstruída por grandes pedaços de
rocha como pode ser observado na figura a seguir.
40
Figura 28: Frente de escavação após a detonação
Fonte: Autor, 2016
A retirada do material rochoso da frente de escavação era realizada com o auxílio de
escavadeiras e pá carregadeiras, responsáveis por colocar todo este material dentro de caminhões
caçamba que por sua vez realizavam o transporte do material para fora do túnel.
Após a limpeza da frente de escavação era iniciado então o processo de bate choco, processo
este que através do uso de rompedores pneumáticos consiste em soltar pedaços de rocha que se
encontram na iminência da queda, representando risco a execução dos serviços. Este processo é de
fundamental importância para a segurança da escavação e deve ser realizado por profissionais
capacitados. Na figura a seguir pode ser observado o processo de bate choco sendo realizado.
41
Figura 29: Execução de bate choco
Fonte: Autor, 2016
Após a execução da limpeza da frente de escavação e da realização do bate choco, era
iniciada então a projeção do concreto para revestimento do túnel e a instalação dos elementos de
suporte, etapas que serão abordadas no item a seguir.
3.4.5 EXECUÇÃO DOS ELEMENTOS DE SUPORTE
3.4.5.1 CONCRETO PROJETADO
Após a detonação e a limpeza da frente de escavação era então iniciada a execução de
concreto projetado no revestimento do túnel. Para a execução do concreto projetado foi escolhida a
projeção via úmida, devido a algumas de suas vantagens como, a maior produtividade na projeção,
a menor perda por reflexão, a maior eficiência no uso de ar comprimido e a maior homogeneidade
do concreto.
A execução do revestimento do túnel foi feita por etapas. Inicialmente era realizada a
camada de regularização do revestimento, em seguida eram executadas a camada de revestimento
42
primário e secundário de concreto projetado. As espessuras dessas camadas eram definidas de
acordo com a classificação do maciço rochoso, quanto melhores as qualidades do maciço menores
eram as camadas de concreto necessárias para sua estabilização.
Devido às boas propriedades estruturais, ao baixo custo e ao manuseio facilitado, foram
escolhidas para fazer parte da composição do concreto projetado de revestimento do túnel as fibras
de polietileno. As fibras eram adicionadas ao concreto pronto momentos antes à sua projeção. Na
figura a seguir pode ser observado o momento em que as fibras de plástico são adicionadas ao
concreto no interior do caminhão betoneira.
Figura 30: Adição de fibras de plástico ao concreto projetado
Fonte: Autor, 2016
O concreto utilizado na obra possuía fck igual a 30MPa e slump em torno de 21 centímetros.
Foram utilizados no preparo do concreto projetado o cimento CPV ARI RS como aglomerante, a
brita zero como agregado, e aditivos retardadores de pega e superplastificantes. Logo antes de se
iniciar a projeção do concreto, era adicionado junto ao bico de projeção o aditivo acelerador de pega
para que o concreto pudesse atingir altas resistências mais rapidamente.
43
3.4.5.2 CAMBOTAS METÁLICAS
As cambotas metálicas foram utilizadas somente nos trechos onde foram encontrados
maciços rochosos com alto grau de alteração (classe IV e classe V), com a função de auxiliar no
suporte das cargas iniciais do terreno. Foram utilizadas nestes trechos cambotas metálicas treliçadas
montadas no próprio canteiro de obra. O projeto de armação das cambotas pode ser observado no
anexo V deste trabalho.
As cambotas metálicas somente eram instaladas após locação de seus “pés” e eixo por parte
da equipe de topografia. Na figura a seguir podem ser observadas três cambotas metálicas já
instaladas na seção do túnel.
Figura 31: Cambota metálica instalada
Fonte: Autor, 2016
44
3.4.5.3 TELAS DE AÇO
As telas de aço assim como as cambotas metálicas também foram utilizadas somente nos
trechos onde foram encontrados maciços rochosos fracos (Classes III, IV e V). As telas foram
utilizadas em associação com o concreto projetado e tinham a função de auxiliar na capacidade de
suporte do mesmo. Nos trechos em que foram encontrados maciços rochosos mais resistentes, o uso
de fibras no concreto era suficiente para dar a capacidade de suporte necessária, anulando a
necessidade de telas de aço.
Nos trechos em que foram utilizadas cambotas metálicas as telas de aço eram amarradas na
mesma, já nos trechos em que as cambotas não foram necessárias, as telas foram instaladas com o
auxílio de grampos fixados no revestimento do túnel. Na figura a seguir podem ser observadas as
telas de aço já instaladas no revestimento do túnel.
Figura 32: Telas de aço aplicadas no revestimento do túnel
Fonte: Autor, 2016
45
Existem no mercado variados tipos de telas de aço, com diferentes malhas, dimensões e
pesos. A tela de aço utilizada foi a Q 246 com malha 10cm x 10cm, espessura do fio com 5,6
milímetros e peso 3,91kg/m².
3.4.5.4 TIRANTES
Os tirantes foram utilizados em todo o trecho em rocha, porém suas quantidades e o
espaçamento entre eles foram determinados de acordo com a classificação do maciço. Nos trechos
em que a rocha possuía boa resistência, a quantidade de tirantes necessários para dar estabilidade ao
maciço era menor do que nos trechos em que a rocha possuía baixa resistência.
Os furos para a colocação dos tirantes foram feitos pelo jumbo (perfuratriz hidráulica) e sua
instalação feita com o auxílio de um martelo de coluna e de uma chave de impacto (figura 33),
responsáveis por inserir a barra de aço no furo e efetuar a mistura das resinas. Os tirantes eram
instalados após a execução de uma camada de regularização de concreto e não diretamente sob o
maciço. Após a execução dos tirantes eram realizados ensaios com o auxílio de um torquímetro para
que fossem averiguadas suas cargas de trabalho.
Figura 33: Instalação de tirantes
Fonte: Autor, 2016
46
Foram utilizados na obra tirantes tipo ROCSOLO TC-5 com carga de trabalho de 10
toneladas e diâmetro de uma polegada. O comprimento dos tirantes era de três metros, sendo os dois
primeiros ancorados com resina pega lenta e o último ancorado com resina de pega rápida. No
anexo VI deste trabalho pode ser observado o projeto do tirante com mais detalhe.
3.5 SISMOGRAFIA
Como visto no item 2.3.5.4 a análise da sismografia é de fundamental importância para o
controle das vibrações causadas pelo uso de explosivos. As vibrações causadas pela detonação e o
deslocamento de ar podem causar danos às estruturas vizinhas com a ocorrência, por exemplo, de
vidros quebrados, paredes fissuradas e danos a estrutura de alguma edificação.
As vibrações devem respeitar limites estabelecidos por norma, tais limites variam de acordo
com as características das estruturas vizinhas á obra. No caso da obra em estudo, o túnel em rocha
passava logo abaixo de alguns trechos delicados como o Morro da Mangueira onde há a presença de
edificações com estruturas precárias e extremamente sensíveis as vibrações do terreno.
O controle e monitoramento das vibrações foram realizados através de um sismógrafo que
pode ser observado na figura a seguir.
Figura 34: Sismógrafo minimate plus
Fonte: usa.itmsoil.com/pages/Minimate+Plus,2016
47
A partir das informações coletadas nestes equipamentos foi possível gerar relatórios com
informações como valores de pico da velocidade de vibração, de aceleração e de deslocamento de
partícula em três direções. Na figura a seguir pode ser observada parte de um relatório sismográfico
referente a uma das detonações ocorridas na obra. Em vermelho está destacado o valor de pico da
velocidade de partícula da detonação em questão, informação considerada como a que melhor
caracteriza o comportamento das vibrações no maciço.
Figura 35: Relatório sismográfico de detonação e explosivos
Fonte: Obra de desvio do rio Joana
Usualmente eram utilizados na obra dois aparelhos de sismografia, um deles posicionado
logo acima do eixo de túnel e o outro em algum ponto crítico dentro de um raio de influência
definido como de 50 metros. Na figura a seguir pode ser observada a abrangência do raio de
influência de uma das detonações ocorridas logo abaixo do Morro da Mangueira.
48
Figura 36: Raio de influência da detonação
Fonte: Autor, 2016
Um dos pontos críticos do trajeto do túnel foi o trecho logo abaixo de uma edificação
abandonada que funcionava como uma antiga fábrica de botões e que pode ser observada na figura
37. Devido à situação em que se encontrava a edificação abandonada, foi tomada a decisão de se
alterar o plano de fogo no trecho em questão, para que houvesse uma redução nas vibrações
causadas pela detonação.
Figura 37: Edificação abandonada no trajeto do túnel
Fonte: Autor, 2016
49
Mais especificamente, a modificação foi feita nos tempos de retardo dos furos do pilão. Essa
decisão foi fundamentada a partir da análise dos relatórios sismográficos anteriores, onde se
percebeu que as maiores velocidades de partícula estavam associadas aos menores tempos de
detonação, ou seja, nos furos do pilão.
Com a modificação feita nos tempos de retardo do pilão foi possível diminuir
consideravelmente os valores de pico das velocidades de partícula nas detonações, tornando mais
segura a escavação neste trecho e evitando maiores danos a edificação abandonada. Na figura a
seguir podem ser observados os pilões com os tempos de detonação antes do ajuste do plano de
fogo e depois.
Figura 38: Ajuste no plano de fogo
Fonte: Obra de Desvio do Rio Joana (Vallejos Engenharia LTDA, 2016)
3.6 INSTRUMENTAÇÃO
Como visto anteriormente no item 2.3.8 deste trabalho a instrumentação de um túnel tem por
objetivo monitorar as movimentações do maciço ao redor da escavação. Para fazer o controle das
movimentações no interior do túnel foram realizadas seções de convergência através de pinos de
recalque instalados na parede do túnel, cada seção contendo três pinos e espaçadas de cinco em
cinco metros. As leituras eram realizadas diariamente e documentadas em um relatório que pode ser
observado no anexo VII deste trabalho. Na figura a seguir pode ser observado um pino de recalque
da seção de convergência já instalado na parede do túnel.
50
Figura 39: Pino de recalque da seção de convergência do túnel
Fonte: Franco, 2014
Para realizar o controle das movimentações na superfície do solo, foram executadas seções
de marcos superficiais espaçadas de cinco em cinco metros, cada seção contendo cinco marcos
conforme mostrado na figura a seguir.
Figura 40: Projeto de locação dos marcos superficiais
Fonte: Obra de Desvio do Rio Joana (Vallejos Engenharia LTDA, 2016)
51
Para a execução dos marcos superficiais eram realizados furos na superfície do terreno
aonde eram inseridos tubos metálicos dotados de uma chapa de aço em sua base e uma cabeça
metálica em seu topo. Para garantir que as movimentações dos marcos superficiais fossem
exclusivamente originárias de recalques no solo e não houvesse nenhum tipo de dano externo no
mesmo, após colocação do tubo de aço, o furo era fechado com solo compactado, concreto e tampa
de proteção. Na figura a seguir podem ser observados os componentes de um marco superficial
utilizado na obra e um deles já instalado.
Figura 41: Marcos superficiais
Fonte: Obra de Desvio do Rio Joana (Vallejos Engenharia LTDA, 2016)
Toda a instrumentação executada na obra teve suas coordenadas e cotas cadastradas e
atualizadas na planta de locação do túnel. O monitoramento dos instrumentos foi iniciado antes da
ocorrência dos efeitos das escavações, e as leituras foram feitas diariamente em tabelas e gráficos
em função do tempo e do avanço do túnel.
52
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O intenso crescimento das grandes cidades, a falta de espaço na superfície e sua crescente
valorização, vêm provocando um aumento da demanda por passagens subterrâneas no Brasil e em
outros países. Seja para servir como alternativa para o sistema de transporte (rodoviário ou
metroviário), para o sistema de abastecimento de água, de tratamento de esgoto, ou de drenagem
urbana, os túneis vêm sendo adotados como a melhor solução para a falta de espaço na superfície
das grandes cidades.
Apesar de serem um dos mais antigos tipos de construção já realizados pelo homem, o
domínio dos conhecimentos técnicos e teóricos em relação ao comportamento do solo e de sua
interação com a estrutura dos túneis é relativamente recente. Até pouco tempo atrás, quando não se
tinham conhecimentos geológicos e geotécnicos adequados, eram comuns a ocorrência de acidentes
neste tipo de obra, tornando de alto grau de risco qualquer obra de execução de túnel. Com o
aumento da demanda por obras subterrâneas, estudos foram desenvolvidos e tecnologias foram
criadas, tornando possível a execução de escavações de forma segura e eficiente.
Hoje em dia existem diversas metodologias sendo aplicadas na execução de túneis ao redor
do mundo. Seja pelo baixo custo em relação ao método mecanizado ou pela menor interferência na
superfície em relação aos métodos destrutivos, em diversas situações o método NATM é escolhido
como a melhor solução para a execução dos túneis. Tendo em vista as vantagens do método NATM
e sua crescente utilização no cenário atual, é fundamental que se conheçam os conceitos, etapas
construtivas e tecnologias associadas à sua execução.
Além da importância dada à execução da escavação do túnel em si, o presente trabalho
conclui que o sucesso de um projeto de túnel pelo método NATM está diretamente ligado a uma
investigação geológica bem feita. A partir das sondagens pode ser elaborado o traçado ideal que
auxilie na redução de custos e do prazo da obra. O conhecimento da classificação dos maciços
também será importante para a elaboração de custos precisos já que a partir dela serão definidos
alguns parâmetros como espessura do revestimento do túnel e os elementos de suporte que serão
utilizados.
Também foi mostrada neste trabalho a importância da execução de tratamentos preliminares
antes da escavação de um túnel. Estes tratamentos dão sustentação ao maciço e são utilizados
53
principalmente em maciços rochosos fracos com alto grau de alteração e baixa capacidade de
suporte. Se bem executados, os tratamentos preliminares além de facilitarem os serviços de
escavação, aumentam a segurança da obra, evitando os frequentes desplacamentos e
desmoronamentos na frente de escavação.
Em relação aos elementos de suporte, algumas conclusões técnicas puderam ser observadas
como: as vantagens da utilização das fibras de concreto em substituição as telas de aço; as
vantagens ao se utilizarem fibras de plástico em detrimento da fibra de aço devido ao baixo custo e
maior resistência ao fogo; e da utilização de cambotas metálicas e telas de aço somente em trechos
com maciço rochoso fraco e muito alterado.
Este trabalho apresenta também a importância dos mecanismos de controle de execução do
método, como é o caso das instrumentações usadas na medição das movimentações do terreno, e da
sismografia responsável pelo controle das vibrações. Sem esses controles os riscos são altos e a
possibilidade de acidentes é iminente. A partir da correta leitura destes controles, atitudes podem ser
tomadas como, por exemplo, a redução dos avanços na escavação do túnel e a utilização de outros
elementos de suporte em sua sustentação.
Por fim o trabalho conclui que, devido às vantagens do método NATM diante de outros
métodos como o mecanizado e o destrutivo, sua execução foi a solução ideal encontrada para a
escavação do túnel responsável por desviar parte da vazão do Rio Joana e ajudar assim na
contenção de enchentes na região da Grande Tijuca no Rio de janeiro.
4.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
O presente trabalho teve por objetivo apresentar o método NATM de execução de túneis em
rocha. Sugere-se para outros trabalhos, o estudo detalhado da execução de túneis em solo,
comparando os equipamentos necessários em cada caso, os variados elementos de suporte utilizados
e a diferente mão de obra necessária para realizar os serviços.
Tendo em vista a importância destacada neste trabalho das investigações geológicas no
sucesso das obras, sugere-se também para trabalhos futuros o estudo das rochas. As rochas possuem
variadas propriedades como: dobras; foliações; fraturas; e falhas. Muitos profissionais de túnel
54
apesar de possuírem vasto conhecimento na área de execução, muitas vezes não possuem
conhecimento adequado da classificação dos maciços rochosos, causando prejuízos à obra.
Seria importante também um estudo mais aprofundado sobre o comportamento, a execução
e a eficiência dos variados tipos de tratamento de solo existentes. É comum em obras de túneis que
a execução dos tratamentos preliminares fique sob responsabilidade de empresas terceirizadas,
ficando o engenheiro responsável pela obra fora do processo de tomada de decisões.
O método NATM na sua execução de túnel em rocha utiliza de explosivos para a escavação
do maciço, por esse motivo uma interessante sugestão para trabalhos futuros é o estudo do
funcionamento dos explosivos e da elaboração de planos de fogo. Estes estudos são importantes
para a execução de detonações cada vez mais eficientes e com o menor impacto possível no maciço.
Por lidar com o imprevisível, obras subterrâneas costumam ter um elevado número de
acidentes, por isso uma importante sugestão para trabalhos futuros é o estudo das práticas de
segurança inerentes a obras deste tipo. Além disso, também é de fundamental importância o estudo
dos procedimentos de qualidade inerentes a estas obras.
O concreto projetado é item fundamental no método NATM e merece ser estudado de forma
mais aprofundada. Questões como a utilização de aditivos e fibras irão influenciar diretamente no
comportamento do concreto e na sua interação com o maciço escavado, portanto o conhecimento de
suas propriedades não pode ser deixado de lado.
Finalmente sugere-se o estudo de outros métodos como o método mecanizado e o destrutivo,
comparando custos, prazos de execução e interferências na superfície. A partir do domínio do
processo executivo de cada método, de suas vantagens e de suas desvantagens, será possível a
escolha da solução ideal para cada caso.
55
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Túneis. 1º Simpósio sobre Túneis Urbanos, TURB, ABGE, São Paulo, março de 1995.
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Projeto de Graduação da Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, RJ.
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57
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de 2016.
Dux Brasil. Equipamentos - Serviços e Locações.
Disponível em: < http://www.duxbb.com.br/#!sp-305.png/zoom/mainPage/image32i.>. Acessado
em: Março de 2016.
SMO – Secretaria Municipal de Obras do Rio de Janeiro. Vídeo sobre a contenção de enchentes
na Bacia do Canal do Mangue.
Disponível em: < https://www.youtube.com/watch?v=7QV-X8flIZU&feature=youtu.>. Acessado
em: Março de 2016.
58
ANEXOS
59
ANEXO I: PERFIL GEOTÉCNICO/SONDAGENS
60
ANEXO II: PARÂMETROS DE CLASSIFICAÇÃO DAS ROCHAS
61
ANEXO III: PROJETO DE ENFILAGENS
62
ANEXO IV: PLANO DE FOGO
63
ANEXO V: PROJETO DE ARMAÇÃO DA CAMBOTA
64
ANEXO VI: PROJETO DE TIRANTE
65
ANEXO VII: RELATÓRIO DE INSTRUMENTAÇÃO
