TUNEIS IMERSOS – PRINCIPAIS ASPECTOS GEOTÉCNICOS E MELHORES
CONDIÇÕES DE APLICABILIDADE NO BRASIL
Cintia Cristiana Schultz1 & Roberto Kochen2
Resumo - O presente trabalho visa complementar os dados existentes a respeito de túneis imersos, enfatizando os
aspectos geotécnicos de execução. Compreendem os aspectos geotécnicos de uma obra de túneis imersos a geotecnia
voltada para a execução de um túnel imerso, as técnicas de investigação do subsolo e, também, as atividades da
metodologia construtiva. A técnica dos túneis imersos apresenta algumas vantagens sobre pontes convencionais, tais
como a menor extensão para travessias sub-aquáticas, e as menores interferências paisagísticas e com o tráfego
hidroviário.
Palavras–Chave - túneis imersos, geotecnia, travessias sub-aquáticas
CONSIDERAÇÕES SOBRE GEOTECNIA
A geotecnia aplicada a túneis imersos assemelha-se muito à geotecnica offshore. As principais diferenças
consistem na profundidade e no tipo de regime da água do local de instalação da estrutura. As estruturas offshore são
executadas em mar aberto e em grandes profundidades, ao passo que um túnel imerso é executado em profundidades
geralmente inferiores a 30 m e em locais com água de rio ou mar, ou, ainda, na interface dos dois. Além disto, o túnel
imerso é executado para a travessia de um canal cuja extensão pode ser determinada.
Mello; Bogossian (1996) afirmam que entre a “geotecnia offshore” ou “geotecnia marinha” os maiores contrastes
ocorrem nas técnicas de investigação e execução das fundações por causa do desenvolvimento diferenciado dos
equipamentos.
De acordo com Le Tirant (1979), por exemplo, os solos marinhos não se distinguem significativamente dos
presentes depósitos terrestres, a não pelas seguintes particularidades (MELLO; BOGOSSIAN, 1996, p. 443):
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•
A diagênese (conjunto de fenômenos que modificam os sedimentos desde o início de sua deposição) dos solos é,
normalmente, menos desenvolvida em ambiente marinho;
O ambiente marinho é mais deposicional do que erosional, de modo que as propriedades dos sedimentos são mais
uniformes dos que as dos solos existentes em terra e os solos marinhos comumente seguem um padrão de
deposição em função da linha d’água, onde as granulometrias mais finas estão localizadas em águas mais
profundas;
O fato dos solos marinhos terem saturação próxima de 100% simplifica as considerações de projeto;
A ocorrência de erosão do solo superficial (“scour”) e/ou enterramento da estrutura durante a sua vida útil é outro
aspecto que requer consideração no projeto de estruturas submersas.
As campanhas de investigação em água são mais representativas do que as realizadas em terra devido ao maior
custo em relação à estrutura (até 5%), à adversidade das condições ambientais e também, à restrição de quantidades de
obra no rio ou no mar que permitam o mapeamento das variações regionais. Salienta-se também que são utilizadas
tecnologias de ponta e o nível de responsabilidade em relação às obras de terra é idêntico.
TÉCNICAS DE RECONHECIMENTO: IMPORTÂNCIA E ABRANGÊNCIA DO RECONHECIMENTO
Segundo Mello; Bogossian (1996) a vida útil da estrutura é de dezenas de anos, ao passo que os processos
geológicos duram milhares, dezenas de milhares ou até milhões de anos. Apesar disso, há sempre a possibilidade de que
durante a vida útil de uma estrutura ocorram processos que atentem contra a segurança da obra. Para a prevenção de
“risco iminente” à obra deve ser dada especial atenção à presença de falhas geológicas, instabilidade de estratos
superficiais e o potencial de erosão.
O planejamento de uma campanha de investigações deve visar não apenas ao projeto de fundação da estrutura, mas
também deverá levar em conta o interesse de se conhecer a morfologia do ambiente e as feições geológicas da área.
ATIVIDADES DA METODOLOGIA CONSTRUTIVA
Dentre as várias atividades da metodologia construtiva, serão detalhadas, neste item, as atividades nas quais os
aspectos geotécnicos possuem maior importância para a sua execução: as escavações, a fundação e o aterro do túnel.
1
Engenheira Civil, Mestranda da Escola Politécnica/USP: Rua das Camélias, 210 – Carvoeira, CEP 88040-530 Florianópolis - SC/Brasil, (11) 91496730, (48) 234-4480 recado, [email protected]
2
Escola Politécnica da USP e Diretor Técnico da Geocompany – Tecnologia, Engenharia e Meio Ambiente: Rua Amália de Noronha, 137 – Jd.
América, CEP 05410-010 São Paulo – SP/Brasil, (11) 3063-9803, (11) 3086-3668, [email protected]
Escavação
Os trabalhos de escavação são definidos em virtude dos materiais que são encontrados no leito do rio ou canal.
A execução de túneis imersos comparados a túneis em rocha é geralmente mais viável quando, no leito do rio,
encontram-se areias: é alto o custo da fundação em argilas. Porém, mesmo assim foram executados túneis imersos.
Compreendem os trabalhos de escavação a dragagem e o desmonte subaquático.
a) Dragagem
Segundo Rasmussen (1997), a dragagem da trincheira é o principal item da dragagem em um projeto de túnel
imerso. Os trabalhos de dragagem devem-se relacionar com a construção de um túnel imerso e podem ser empreendidos
da seguinte forma:
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•
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Dragagem do local de concretagem/lançamento;
Dragagem de buracos para teste no curso d’água com o intuito de avaliar a sedimentação na trincheira do túnel;
Ampliação do canal existente de navegação a fim de fornecer canais temporários de navegação fora da área dos
trabalhos marinhos;
Aprofundar o curso d’água existente a fim de compensar a redução da seção transversal do curso d’água causada
pelos trabalhos permanentes do túnel, e, assim, evitar mudanças nas condições hidrológicas e biológicas do curso
d’água;
Dragagem para construções adjacentes do túnel e apoio/manutenção;
Dragagem da trincheira do túnel para seção do túnel imerso;
Dragagem de um canal de acesso entre ao pátio de concretagem/lançamento e a trincheira do túnel;
O objetivo das escavações da trincheira é fornecer espaço para o elemento do túnel pré-fabricado - a areia ou
fundação com pedregulho abaixo do túnel - e para o aterro de proteção nos lados e acima do túnel. Por que o topo do
aterro do túnel precisa ser mantido abaixo do existente ou do futuro contorno do canal de navegação é muito comum o
nível do fundo da trincheira entre 25 a 30 m abaixo do menor nível da água.
Segundo Molenaar (1993), a dragagem irá afetar as condições ecológicas do local. O grau com o qual o
processo irá afetar o local depende das condições locais, características do solo, técnicas e equipamento de dragagem
utilizado, além, é claro, do orçamento disponível para minimizar os impactos ambientais. Experiências vêm
demonstrando que o processo de dragagem tem um impacto apenas temporário nas condições ambientais. As condições
ambientais são muito influenciadas pelos efeitos sazonais, muitas vezes tão impactantes quanto os efeitos de dragagem.
b) Desmonte sub-aquático
Quando a remoção não é possível de ser efetuar com emprego apenas de dragas convencionais, ou por
desmonte mecânico, surge então necessidade do emprego de explosivos para fragmentação do material rochoso
submerso. Assim, este deverá ser removido em fragmentos, pelas dragas. Todo o conteúdo a respeito do desmonte
subaquático a seguir é proveniente de notas do engenheiro Leonardo L. Redaelli (informação pessoal).
De modo geral, a utilização de um desmonte subaquático gera muita polêmica por causa da sua ação no
meio ambiente. Para evitar que os peixes sejam mortos quando das atividades de desmonte, estão sendo utilizados
sonares com emissores de ultra-som que afastam os peixes do local da detonação.
O desmonte subaquático, do ponto de vista teórico, não apresenta diferença significativa em relação ao
desmonte comum. Porém, do ponto de vista prático, ele apresenta sensível diferença em virtude do grande número de
problemas especiais que o envolvem, resultando em custos e prazos de execução sempre muito mais elevados. O fato de
a rocha a ser desmontada estar submersa, cria uma série de dificuldades que se refletem nos trabalhos de perfuração,
colocação do explosivo, detonação, remoção do material detonado e controle da cota resultante. Além dos fatores
normalmente considerados nos desmontes comuns, devem ser levados em conta também os seguintes:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
Proteção do pessoal e do equipamento contra as ondas e os ventos;
Possibilidades de ligação com a terra;
Profundidade, natureza e volume de material a desmontar;
Existência de lodo, areia, etc, sobre o material a desmontar;
Visibilidade debaixo d’água, quando necessário o emprego de mergulhadores;
Efeitos das ondas de choque provenientes das detonações e propagados através da rocha e da água;
Grande dificuldade de 1ocação dos furos;
Grande sensibilidade às condições de tempo e marés e;
Interferência no tráfego de navios.
As dificuldades enfrentadas neste tipo de trabalho aumentam consideravelmente o tempo absorvido e
obrigam à adoção de medidas especiais que tornem a execução mais segura, rápida e econômica.
Fundação
Segundo Molenaar (1993), existem três diferentes sistemas de fundação: o sand–jetted, sand – flow e o screeded
gravel bed. Na Europa, os dois primeiros métodos são mais comuns, e nos Estados Unidos, o último é a prática comum.
Para a fundação em areia, o elemento do túnel tem a sua fundação feita temporariamente logo depois da
imersão, até que ele seja baixado até a fundação final. Na primeira extremidade do elemento, a fundação temporária é
feita pela conexão entre os dois elementos, o já instalado (prévio) e o que está sendo instalado. A fundação temporária
da segunda (ou livre) extremidade consiste de placas de concreto ou aço, colocadas na trincheira antes da imersão do
elemento do túnel. Os sistemas de fundação segundo informações de Molenaar (1993), estão descritos nos itens a) a c),
a seguir.
Recentemente, foi desenvolvido um novo método de fundação denominado Scrader, durante a construção do
∅resund Link. Esta nova metodologia é abordada no item d), a seguir.
Onde as condições de solo não forem adequadas é recomendado o tratamento doa fundação com a execução de
colunas de brita.
a) Screeded gravel bed
Este tipo de fundação é geralmente utilizado na América do Norte, com túneis em aço. Em seguida da dragagem da
trincheira, uma camada de areia grossa ou pedregulho é colocada no fundo da trincheira. A granulometria do material
deve estar relacionada com as condições hidráulicas: à força da corrente, ao tamanho do maior grão. A camada deverá
ter aproximadamente 0,7 m de espessura.
Uma atenção especial deverá ser dada à precisão do nivelamento da camada de pedregulho. A precisão
necessária é de aproximadamente 3 cm, dependendo, é claro, das condições locais, da graduação do material e do
equipamento usado.
O nivelamento é feito com um peneira (screed), suspensa por guinchos de um carro rolante em uma trajetória
suportada por duas barcas. O aparelho é ancorado acima da superfície a ser nivelada. A suspensão de peneiramento
pode ser ajustada para compensar variações no nível da maré.
b) Sand – jetted
Trata-se da fundação em areia que usa uma ponte de guindaste rolante de aço correndo de um lado para outro do
elemento. Conectada a esta ponte estão três tubos adjacentes. Este sistema de tubos é conduzido para o espaço abaixo
do túnel, entre o fundo do túnel e o fundo da trincheira. A figura 1 mostra a ponte utilizada pela empresa
Christiani&Nielsen. A figura 2 mostra um esquema dos tubos utilizados. O tubo maior fica no meio.
Através deste tubo, uma mistura de água
e areia (com composição bem controlada) é
bombeada abaixo do elemento do túnel. É
necessário um espaço de aproximadamente 1 m
para movimentar os tubos abaixo do túnel.
Fig. 1 – Vista geral da ponte de aço.
Fonte: Molenaar (1993).
Fig. 2 – Vista geral da tubulação utilizada.
Fonte: Rasmussen (1997).
c) Sand – flow
Para locar fundações abaixo dos túneis profundos e para evitar que o sistema sand-jetted obstrua o tráfego de
navios foi desenvolvido o sistema sand-flow (vide figura 3).
Fig. 3 – Vista geral da tubulação de injeção.
Fonte: Molenaar (1993).
Neste sistema, como no sandjetted, uma mistura de areia e água é
bombeada através de tubos para o
espaço abaixo dos elementos do túnel.
Neste caso, ao invés de usar um sistema
móvel, um número de aberturas é criado
no fundo do elemento do túnel.
As aberturas são conectadas a tubos
colocados tanto dentro como fora do
elemento do túnel.
O método é muito rápido e pode
preencher o espaço inteiro debaixo do
elemento em 24 horas, evitando, assim,
o risco de lodo depois que os elementos
estejam colocados.
d) Scrader
Este método foi executado pela primeira vez no projeto do túnel ∅resund, na Dinamarca. Para os 20
elementos, a camada de pedregulho foi colocada embaixo da água a uma profundidade de 20 m e com uma precisão
vertical de ± 25 mm.
De acordo com Graaf; Janssen (2003), uma aplicação especial do conceito “scrader” é a capacidade de
construir uma estrutura feita de pedras de um padrão intermitente de bermas idênticas, alternadas por sulcos, em vez de
um plano fechado. É depositada na trincheira antes da imersão dos elementos. A figura 4, a seguir, mostra uma vista em
planta e outra em corte da fundação executada.
O método consiste de um tubo de
queda telescópico, acoplado a um
veículo especialmente projetado, uma
barca de muitas utilidades, em inglês,
uma Multi Purpose Pontoon (MPP)
denominada Scradeway.
A colocação e o nivelamento do
material
são
executados
simultaneamente.
O
material
é
transportado por um tubo de queda, que
é
movido
horizontalmente.
A
extremidade final abaixo do tubo de
queda se mantém em um nível
constante.
Os movimentos verticais do veículo
são monitorados continuamente com a
ajuda de um laser que roda e compensa
o sistema hidráulico do tubo de queda
com uma precisão de centímetros.
As vantagens da utilização do
método scrader comparado ao plano
integral fechado são:
Fig. 4 – Vista da fundação executada segundo o método Scrader.
Fonte: Graaf; Janssen (2003)
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•
•
Nas juntas dos elementos, as distâncias entre as bermas podem ser aumentadas, minimizando o risco de partículas
de agregados ficarem presos entre elementos;
A água e a sedimentação são mais fáceis de dissipar através dos sulcos quando abaixam os elementos até a
fundação;
A construção de bermas com sulcos intermediários evita o risco de grandes pontos, mais altos, em uma estrutura,
um acima do outro.
Aterro da trincheira do túnel
Segundo Rasmussen (1997), os trabalhos complementares compreendem o aterro do túnel, a colocação de
colchão de proteção ou membranas e a colocação de enrocamento (vide figura 5). Seus objetivos são:
Fig. 5 – Vista do túnel após o aterro
Fonte: Rasmussen (1997)
•
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•
Proteger da erosão a fundação permanente do túnel;
Fornecer suporte horizontal ao túnel;
Proteger as reservas de água potável, abaixo do túnel, de contaminações pelo canal da água;
Proteger o aterro da erosão;
Proteger o túnel de objetos que possam cair, tais como âncoras de navios.
O material de aterro, que normalmente é areia, pode ser freqüentemente ser o material escavado da trincheira
do túnel. O aterro usualmente pode ser colocado por bombeamento, usando uma pequena draga de sucção.
MELHORES CONDIÇÕES DE APLICABILIDADE DOS TÚNEIS IMERSOS
As melhores condições de aplicabilidade dos túneis imersos estão relacionadas às principais vantagens da
utilização desta metodologia construtiva, listadas a seguir:
a)Travessia de cursos d’água
No Brasil, a travessia de canais em portos ou em rios com navegação comercial geralmente são executadas
com pontes ou com raras exceções por balsas. Modernamente, para possibilitar a travessia, apresentam-se 4 soluções
alternativas: ponte tradicional; ponte móvel, túnel escavado em rocha e túnel imerso a uma profundidade compatível
com o calado dos navios.
A opção de um túnel imerso deverá ser considerada nos estudos de viabilidade. Pois, a ponte tradicional,
aparentemente mais simples, necessitará do comprimento da rampa de acesso, cerca de 67 metros e com rampa de 6%
(para 40 m de altura livre). A ponte móvel, além de muito cara, implica também em freqüentes e demoradas
interrupções do trânsito para a passagem de navios. O túnel escavado em rocha, além de possuir uma extensão maior
que o túnel imerso. O túnel imerso representa a solução largamente utilizada na Europa, Estados Unidos e Japão onde
mais de 100 túneis já foram construídos.
Na figura 6 apresentada a seguir há uma comparação das soluções: túnel imerso, túnel escavado e ponte alta. O
túnel imerso apresenta a menor extensão para realizar a travessia.
Túnel Imerso
Túnel Escavado
Ponte
Fig. 6 – Comparação entre os elementos de ligação
Fonte: Tribune, 1999
b) Vantagens construtivas
Conforme comentado anteriormente nas vantagens da utilização dos túneis imersos, a opção favorece os
seguintes aspectos:
-
Execução de várias atividades ao mesmo tempo;
Grande grau de repetição das atividades;
Trabalhos fáceis de controlar e com baixas dificuldades;
Facilidade de medir a eficiência dos trabalhos devido à repetição das atividades;
Permitindo acelerar certos trabalhos da parte crítica;
Utilização de poucos materiais;
c) Alternativa arquitetonicamente viável
O túnel imerso além de constituir uma das melhores opções para a travessia marinha, favorece os seguintes
aspectos:
•
•
Liberação do Espaço de Superfície: a implantação de um túnel no local estipulado significaria a liberação da
superfície para atividades prioritárias;
Minimizar a Interferência Paisagística: por estar localizado sob a água, apenas os emboques do túnel seriam
visíveis, não causando interferência visual na paisagem.
d) Menor interferência no tráfego hidroviário
A adoção do segmento túnel imerso possibilita a continuidade simultânea de tráfego hidroviário existente, com
exceção do período de sua construção.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente é um pequeno resumo do texto de mestrado da autora intitulado de Túneis Imersos, na Escola
Politécnica. No momento já foram executados mais de 100 túneis imersos no mundo e muita bibliografia sobre a
metodologia construtiva encontra-se disponível, o propósito desta pesquisa de mestrado foi reunir todo o conteúdo
disponível.
E também, devido a crescente utilização da metodologia construtiva no mundo, principalmente na Europa e da
existência de estudos de casos no Brasil, pretende-se contribuir com a comunidade técnica nacional.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Thomas Teldfor, 1989, p. 157 -169.
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ASSOCIAÇÃO INTERNA DE TÚNEIS – ITA 2003. Anais. P313-319.
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MOLENAAR, V.L.. Chapter 3: Construction Techniques. In: AHMET, G; SAVEUR, J. Immersed and Floating
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Oxford: Pergamon, 1993, p. 141-161.
RASMUSSEN N. Concrete Immersed Tunnels – Forty Years of Experience – Tunnelling umd Underground Space
Technology. Oxford: Pergamon, 1997 v.12. nº 1., p. 33-46
SMINK, M.. Scrading – a new approach to the foundation of concrete tunnel elements. In: CONGRESSO DA
ASSOCIAÇÃO INTERNA DE TÚNEIS – ITA 2003. Anais. P287-289.
TRIBUNE HORS SÉRIE: INTERNATIONAL TUNNELING ASSOCIATION. Immersed Tunnels: A better way to
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