Métodos de Execução de Túneis
Curso – Engenharia Civil
Disciplina – Estruturas de Pontes II
Prof. Eng. Msc.Valdir Moraes Pereira
O que vai ser visto?
1. Objetivo e influência dos fatores geológicos
2. Métodos de escavação:
“Sumário”
2.1 Método tradicional
2.2 Por cravação de tubos - “Pipe Jacking”
2.3 Método da couraça - “Shield”
2.4 Método de construção a céu aberto – “cut and cover”
2.5 Novo método austríaco de túneis – “New austrian
tunneling method “ (NATM)
2.6 Vantagens e desvantagens de cada método
3. Impermeabilização de túneis
1. Objetivo e influência dos fatores geológicos
Permitir uma passagem direta através de obstáculos, que
podem ser elevações, rios, canais, etc..
Alinhamento do túnel
Tráfego e
transporte
Acima do nível
d’água
Menor percurso, custo
inferiores, melhor visibilidade,
simplificação da construção e
da locação topográfica
Locação exata controlada por
fatores geológicos e
hidrológicos
Implantação deve manter o
mais reto possível
Investigação
geológica
(sondagens)
(Texto de apoio)
1. Objetivo e influência dos fatores geológicos
O objetivo dos túneis é permitir uma passagem direta através de certos obstáculos, que podem ser
elevações, rios, canais, áreas densamente povoadas, etc.
A escolha do alinhamento básico de um túnel é governada primeiramente pelos interesses de trafego e
transporte. A locação exata é controlada pelos fatores geológicos e hidrológicos particulares da área do
túnel. A tendência para a implantação de um alinhamento de túnel é mantê-lo o mais reto possível, não só
por seu percurso menor, custos inferiores, melhor visibilidade, mais também pela simplificação da
construção e de sua locação topográfica.
A fase mais importante dos trabalhos preliminares para túneis é a exploração cuidadosa das condições
geológicas. A locação geral de um túnel, apesar de governada pelos interesses econômicos e de trafego,
somente é definida quando são definidas as condições geológicas.
O reconhecimento geológico é feito através de investigações superficiais, complementadas com
sondagens espaçadas adequadamente (não aplicar o método geométrico), as quais fornecem as
informações para o anteprojeto preliminar.
O reconhecimento geológico é feito através de investigações superficiais, complementadas com
sondagens espaçadas adequadamente (não aplicar o método geométrico), as quais fornecem as
informações para o anteprojeto preliminar.
1. Objetivo e influência dos fatores geológicos
(Texto de apoio)
Classificação dos túneis quanto o método
executivo
Método tradicional
2.1 Métodos de escavação
Método tradicional
Para túneis escavados em rochas, a não ser para aqueles
extremamente curtos, (200m de comprimento), são
estabelecidas duas frentes de escavação.
Operações básicas:
a) Perfuração da frente de escavação com marteletes;
b) Carregamento dos furos com explosivos:
c) Detonação dos explosivos;
d) Ventilação e remoção dos detritos e da poeira;
e) Remoção da água de infiltração, se necessário;
f) Colocação do escoramento para o teto e paredes laterais, se
necessário;
g) Colocação do revestimento, se necessário.
Método tradicional
2.1 Métodos de escavação
Método tradicional
Exemplo de tempo necessário gasto nas operações de avanço da frente
de escavação de túneis
2.1 Métodos de escavação
Método tradicional
Método tradicional
Métodos de avanço:
Escavação total: toda a frente e perfurada e dinamitada. São
recomendados para túneis de pequenos diâmetros, embora os
maiores também possam ser.
Escavação por por bancada: consiste no avanço da parte
superior do túnel, sempre adiante da inferior. Se a rocha é
suficientemente firme para permitir que o teto permaneça sem
escoramento, o avanço da parte superior é um turno de
trabalho com relação à inferior.
Ilustração da escavação por bancada
2. Métodos de escavação
Método tradicional
Método tradicional
Métodos de avanço:
Escavação por galerias: Método utilizado em túneis bastante
largos, pois pode ser vantajoso desenvolver um túnel menor,
chamado galeria. De acordo com a posição, a galeria é chamada
de:
Ilustração da escavação por bancada
2.1 Métodos de escavação
Método tradicional
Método tradicional
Perfuração das rochas:
Existem diversos equipamentos para perfuração, e a seleção do
tipo mais adequado depende da:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Natureza topográfica do terreno;
Profundidade necessária de furos;
Dureza da rocha;
Grau de fraturamento da rocha;
dimensões da obra;
Disponibilidade de água para perfuração
Esquema de perfuração para explosivos
2. 1 Métodos de escavação
Método tradicional
Determinação da seção do túnel:
Método tradicional
A seleção é influenciada por vários fatores:
a)
b)
c)
d)
Gabarito dos veículos;
Tipo, resistência, conteúdo de água e pressões do solo;
Método de escavação;
A necessidade de usar 1 ou 2 sentidos de circulação
Seções mais comuns de túneis
2. Métodos de escavação
Método tradicional
Ventilação:
Método tradicional
Necessária por diversas razões:
a) Fornecimento de ar puro para os trabalhadores;
b) Remoção de gases produzidos pelos explosivos;
c) Remoção da poeira causada pela perfuração, explosão e
outras operações.
O volume de ar requerido para ventilar o túnel depende do número de
operários, da frequência de explosões, etc.. Cada trabalhador necessita de, cerca
de, 200 a 500 pés cúbicos/minuto. Quando o conteúdo de oxigênio cai abaixo de
20% (o natural é 21%), certo mal-estar acomete os operários. Com menos de
17% de oxigênio, pode ocorrer desmaio.
2.2 Métodos de escavação
Método por cravação de tubos – “Pipe Jacking”
“Pipe Jacking”
O que é?
Pipe Jacking é uma técnica de execução de obras subterrâneas onde todo
o túnel se movimenta em sincronia com o avanço da escavação.
O termo “pipe jacking”, tubos cravados ou “macaqueados”(em português ),
se deve ao fato de todo o avanço dos túneis ser realizado, a partir do
esforço aplicado através de cilindros hidráulicos ou macacos, nos tubos que
compõem a estrutura do túnel.
Arranjo do sistema construtivo “Pipe Jacking”
2.2 Métodos de escavação
Método por cravação de tubos – “Pipe Jacking”
“Pipe Jacking”
Como funciona?
A escavação é realizada por uma cabeça de corte ou shield, o material
escavado é removido por dentro do túnel, mecânica ou hidraulicamente.
No poço de serviço de cravação é instalado o conjunto de macacos,
responsável pelo deslocamento e avanço do túnel, neste poço também é
instalado um equipamento de alinhamento a laser responsável pelo
controle direcional do túnel. Toda operação é controlada a partir de um
container computadorizado, instalado na superfície, ao lado poço de
serviço.
“Pipe Jacking”
2.2 Métodos de escavação
Método por cravação de tubos – “Pipe Jacking”
Posto de serviço de cravação de tubos
Texto de apoio
2.2 Métodos de escavação
Método por cravação de tubos – “Pipe Jacking”
Esse sistema de execução de túneis tem como principal atividade a cravação de
segmentos de tubos – em geral de concreto – no solo, a partir de poços de serviço. Estes
segmentos ligam-se por uma junta flexível e, normalmente, selada. Precedendo à cravação
dos tubos, há a escavação do solo, que, segundo a Pipe Jacking Association, pode ocorrer
manualmente, remotamente ou com uma pequena tuneladora. Alguns autores e entidades
optam por classificar como Pipe-Jacking apenas aqueles métodos de construção por
cravação em que é necessária a presença de trabalhadores na frente de escavação. Aqueles
que assim preferem acabam por entender a técnica de Microtunneling – sem a presença
humana na frente de escavação.
Nesse método, observa que ao menos dois poços de serviço são necessários. Depois de
construídos os poços, instala-se o cravador no emboque e inicia-se o trabalho com o
escavador. Em seguida são cravados os tubos que empurrarão o escavador até o
desemboque. A cravação dos tubos se dá através de macacos hidráulicos instalados e
ancorados em um poço de serviço.
Tem-se nesta forma de construção de túneis um processo não destrutivo, de reduzido
efeito sobre a superfície. Entretanto, a utilização deste método é condicionada pelos
diâmetros de tubos passíveis de cravação. Isto significa que as geometrias típicas de túneis
escavados por cravação de tubos são aquelas com diâmetros variando de 15 centímetros a 3
metros.
2.3 Métodos de escavação
Com tuneladora “Shield”
Tuneladoras
Conceito:
Método construtivo que toma partido de máquina tuneladora, popularmente
conhecida no Brasil como Tatuzão e internacionalmente como TBM (Tunneling
Boring Machine) – Máquina de perfuração de túneis.
Definição: Máquinas metálicas de seção transversal idêntica a seção do túnel
que será escavada.
Definição técnica: Sistema complexo composto de um corpo principal e
outros elementos de apoio, constituído por mecanismos de corte, impulso,
direção, de proteção, de perfuração exploratória, de controle e suporte do
maciço, de instalação do revestimento, de remoção de escombros, de ventilação e
de abastecimento energético.
 Consiste na escavação de túneis em seção plena da face do túnel em seção de
geometria circular.
Tuneladoras
2.3 Métodos de escavação
Com tuneladora “Shield”
Classificação das máquinas Tuneladoras
Slurry Shield:
Aplicação de lama ou outro líquido tixotrópico;
Solos que precisam de estabilização;
Líquido mistura-se com o material escavado na câmara frontal da
tuneladora e depois é separado por decantação.
2.3 Métodos de escavação
Com tuneladora “Shield”
Tuneladoras
EPB (Earth Pressure Balanced) – Balanciamento de Pressões:
Estabilização feita por contrapressão de terra (solo);
Próprio material escavado é colocado sob pressão na câmara situada
logi após a ferramenta da corte;
Manutenção da pressão necessária para equilibrar as pressões.
Tuneladora EPB (Earth Pressure Balanced)
2.3 Métodos de escavação
Com tuneladora “Shield”
Tuneladoras para escavação em rochas
Tuneladoras
Utilizadas para escavação em rochas;
Tuneladoras Fechadas = Shield
Tuneladoras abertas = Grippes (garras)
As garras são fixadas na lateral do túnel para gerar maior pressão na
frente de escavação.
Tuneladora Grippers (Garras)
Tuneladoras
2. 3 Métodos de escavação
Com tuneladora “Shield”
Fechamento primário
Texto de apoio
2.3 Métodos de escavação
Com tuneladora “Shield”
Na ocorrência de situações em solo que demandem confinamento para estabilizar o
maciço escavado, observa-se que ar comprimido, lama bentonítica ou contrapressão de
terra podem ser utilizados para este fim. A estabilização feita com lama bentonítica ou outro
líquido tixotrópico é feita em tuneladoras conhecidas como Slurry Shields, nas quais o
líquido mistura-se com o material escavado em uma câmara frontal da tuneladora e,
através de um circuito, é conduzida para o exterior da escavação, procedendo-se à
separação por decantação. A estabilização feita por contrapressão de terra – técnica
internacionalmente conhecida por EPB (Earth Pressure Balance) – ocorre com a utilização
do próprio material escavado, o qual é colocado sob pressão em uma câmara situada logo
após a ferramenta de corte. A utilização de que uma válvula associada a uma rosca sem-fim
que conduz o material escavado para fora da câmara é o conjunto responsável pela
manutenção da pressão necessária. Quando o solo escavado não demanda medidas de
estabilização, as máquinas tuneladoras adotadas podem ser de escavação mecânica simples,
aberta ou fechada, com ou sem utilização de ar comprimido. Nestes casos, as máquinas são
simplificações das já citadas Slurry Shields e EPB.
Em sendo a escavação realizada em rocha, as tecnologias usuais são as tuneladoras
fechadas, com Shield, ou tuneladoras abertas, com Grippers. As tuneladoras fechadas para
rochas têm seu funcionamento baseado no corte do maciço em seção plena, condução do
material escavado através de transportadores, propulsão por sistema hidráulico e
instalação dos segmentos e anéis de suporte. As máquinas abertas (Figura 17) não possuem
carapaça cilíndrica e seu sistema de propulsão baseia-se na ancoragem provisória de
elementos laterais (os Grippers) que agarram-se às paredes da cavidade já escavada.
Texto de apoio
2. 3 Métodos de escavação
Com tuneladora “Shield”
De forma geral, a construção de túneis com tuneladoras caracteriza-se pela escavação
plena da face do túnel em seção de geometria circular, seguida pela execução do
revestimento do túnel. Usualmente, o revestimento é feito com segmentos pré-moldados de
concreto justapostos, podendo ainda ser executado em concreto projetado quando a TBM
for aberta, a exemplo do que ocorre na utilização dos Grippers. Também caracterizam a
construção com TBMs a diversidade de solos em que pode ser empregado e a diversidade
de diâmetros de túnel que podem ser atendidos. Isto não significa, todavia, que uma mesma
máquina tuneladora é aplicável a qualquer solo ou qualquer diâmetro. As máquinas
tuneladoras permitem escavar até mesmo rochas com resistência à compressão de 300 a 350
MPa, apesar de serem observados melhores resultados em rochas de dureza média a baixa.
“Cut and Cover”
2. 4 Métodos de escavação
Método de construção a céu aberto – Vala
recoberta pelo método direto “Cut and Cover”
Passo 1: corresponde às atividades de
contenção provisória (parede-diafragma,
estacas secantes, estacas justapostas,
perfis com pranchas ou outra tecnologia
para esta finalidade), rebaixamento de
lençol freático (se necessário), escavação
e instalação de estroncas, tirantes ou
mãos-francesas.;
Passo 2: o início da construção da
estrutura do túnel, a começar pela laje
de fundo.;
Passo 3: a conclusão da estrutura do
túnel, com paredes e cobertura, seguida
da instalação de sistema de
impermeabilização (se necessário).
Passo 4: corresponde ao reaterro e às
atividades de recuperação e restauração
da superfície.
Cut and Cover – Bottom Up
Escava e cobre – De baixo para cima
Texto de apoio
2. 4 Métodos de escavação
Cut and Cover
Construir um túnel por recobrimento de vala consiste em escavar uma vala ao longo do
traçado do túnel a ser implantado, construir o túnel e, após executar a cobertura do túnel,
cobrir com solo, recuperando a situação de superfície existente antes da implantação da
obra. Internacionalmente o processo é conhecido como Cut and Cover – Escavar e Cobrir,
na tradução literal – modalidade Bottom-up, em referência à construção feita “de baixo
para cima”.
A execução das trincheiras compreende as metodologias usuais de escavação – sem
restrição geológica – e contenção – provisórias ou definitivas. Em sendo as contenções de
caráter definitivo, elas próprias desempenham a função de limites laterais do túnel.
Como é típico da construção de grandes trincheiras, especialmente em ambientes urbanos, é
usual a utilização de elementos estruturais que possibilitem às contenções desempenhar seu
papel até o momento do reaterro. Tais elementos consistem de tirantes, pregagens do solo e
estroncas.
A descrição desta tecnologia construtiva citando a atividade de rebaixamento do lençol
freático, essencial quando o nível da água subterrânea excede o nível do fundo da
escavação e a contenção por si só não é suficiente para mitigar os efeitos da presença de
água.
“Cut and Cover”
2. 4 Métodos de escavação
Método de construção a céu aberto – Vala
recoberta pelo método direto “Cut and Cover”
Cut and Cover – Top Down
Escava e cobre – De cima para baixo
Método Invertido
Passo 1: constitui-se na instalação das
contenções definitivas – que virão a ser
as paredes do túnel – através de
paredes-diafragma, estacas secantes ou
estacas justapostas, seguida de
rebaixamento do lençol freático (se
necessário).
Passo 2: contempla a escavação
até a cota da cobertura do túnel, a
construção da cobertura, sua ligação
com as contenções e posterior
impermeabilização.
Passo 3: é o reaterro seguido da
recuperação e restauração da superfície,
escavação do interior do túnel, por
baixo da cobertura construída, e
construção da estrutura de fundo e
ligação dela com as demais estruturas já
construídas.
Passo 4: o complemento das
construções internas do túnel.
“NATM”
2. 5 Métodos de escavação
Método Austriáco “NATM”
Escavação sequencial caracterizada por permitir uma acomodação do
maciço escavado durante um tempo no máximo igual ao tempo de
autosustentaação do solo;
 Deformação do solo constantemente monitorada na superfície.
 Revestimento primário – Concreto Jateado – Estrutura primária
 Revestimento secundário – Concreto Convencional – Estrutura principal
Princípios do método NATM:
• O principal suporte do túnel é o maciço circundante, que deve ser
mobilizado ao máximo, formando um anel de estabilização;
• As deformações do maciço e do suporte devem ser rigorosamente
observadas e controladas;
• O suporte deve ser aplicado em tempo compatível com as
características geomecânicas do maciço;
• A extensão a ser deixada sem suporte durante a escavação deve ser
sempre a mínima possível;
• O avanço deve, tanto quanto possível, ocorrer em seção plena, sem
parcializações;
2. 5 Métodos de escavação
Método Austriáco “NATM”
“NATM”
Princípios do método NATM:
• O tempo de ciclo e a perturbação ao maciço devem ser os menores
possíveis;
• A rigidez do suporte deve ser compatível com o maciço, restringindo
as deformações dentro dos limites de segurança;
• A geometria da seção deve ser tal que se minimizem concentrações
de tensões e esforços de flexão;
• Contratante, projetista e construtor devem estar bem entrosados,
possibilitando soluções rápidas e eficientes.
2. 5 Métodos de escavação
Método Austriáco “NATM”
“NATM”
 Para que os princípios anteriores sejam atendidos, a seção tranversal do
túnel deve ser em forma de “ferradura”, dividida em abóboda (parte
superior) e invert (parte inferior);
 A escavação progride em fases, primeiramente a parte superior (calota),
que revestida dá origem à abóboda; e em seqüência o rebaixo, que
revestido, dá origem ao invert.
Seção transversal típica de túnel em
NATM
Tuneladoras
2. 5 Métodos de escavação
Método Austriáco “NATM”
Seção transversal típica de túnel em NATM
“NATM”
2. 5 Métodos de escavação
Método Austriáco “NATM”
Exemplo de escavação em seção plena
 Enfilagens:
Tuneladoras
2. 5 Métodos de escavação
Método Austriáco “NATM”
Exemplo de escavação duas galerias laterais
(calota + peito + arco Invertido)
“NATM”
2. 5 Métodos de escavação
Método Austriáco “NATM”
Exemplo de escavação duas galerias laterais
(calota + peito + arco Invertido)
“NATM”
2. 5 Vantagens e desvantagens
Vantagens e desvantagens
dos métodos executivos
Impermeabilização
3. Impermeabilização de Túneis
Impermeabilização de túnel com
geomembrana
Objetivos:
Assegurar a estanqueidade do túnel, protegendo o revestimento de concreto
contra agentes agressivos presentes nas águas infiltradas;
 Proteger equipamentos elétricos e eletrônicos presentes nos túneis;
 visar minimização de custos com impermeabilização.
Referências
Impermeabilização
A maioria dos textos presentes nessa apresentação foram retirados dos trabalhos
descritos abaixo.
Notas de aula do Prof. M. Marangon – Tópicos em Geotecnia e Obras de Terra. UFJF –
universidade federal de juiz de fora.
Pedro Gustavo da Costa de Oliveira. Execução de túneis com recurso ao método cut and
cover. Universidade federal de Lisboa, 2012. Dissertação de Mestrado.
Vinícius Bernardino Travagin. Subsídios Para Escolha Do Método Construtivo De Túneis.
Universidade Tecnológica Federal Do Paraná Câmpus Curitiba Programa De PósGraduação Em Engenharia Civil – Dissertação De Mestrado, 2012