Um modelo para cada aplicação
Os equipamentos podem ser configurados para várias condições de geologia, tipos de solo e estratégias de escavação subterrânea
Concebidos sob diferentes conceitos operacionais, como frente aberta ou fechada, com sistemas de injeção de bentonita e outros dispositivos para contenção das paredes do túnel.
Quando a primeira linha do metrô de São Paulo foi construída, a partir do final da década de 1960, apenas cerca de 10% de seu traçado adotou processos mecanizados nas escavações subterrâneas. Contando com uma extensão de 16,7 km, entre as zonas Norte e Sul da cidade, ela foi totalmente construída em túneis, mas o trecho que envolveu a utilização de tuneladoras ficou restrito apenas à região central, para se reduzir o impacto das obras sobre o trânsito urbano e a fundação dos edifícios. O restante foi executado pelo método convencional "cut-in-cover".
Passados mais de 40 anos, a evolução tecnológica mudou significativamente este cenário, conforme explica Argemiro Alvarez Ferreira, gerente de concepção de projetos do Metrô de São Paulo. Segundo ele, dos 12,8 km de extensão da recém-inaugurada linha 4 (Amarela), construída totalmente em túneis, metade foi executada com a utilização de tuneladoras e a outra metade empregou o método NATM (New Austrian Tunnelling Method). "A tecnologia tornou-se mais confiável e economicamente viável, facilitando o trabalho de escavação subterrânea", diz ele.
Também denominadas de máquinas escavadoras de túnel (TBM - Tunnel Boring Machine), shields ou popularmente designadas por tatuzão, as tuneladoras não param de incorporar inovações voltadas à maior segurança, eficiência e produtividade nas escavações subterrâneas. O engenheiro canadense Rick Lovatt relata a utilização dessa tecnologia já no longínquo ano de 1896, na construção do Túnel Saint Clair, no Canadá, na qual a rotação da cabeça de corte do equipamento era acionada por força humana e a retirada do material escavado empregava vagões tracionados por cavalos.
Os equipamentos também evoluíram na capacidade de escavação, desde os modelos que atingiam um diâmetro máximo de corte de 6 m, em meados da década de 1980, até as atuais tuneladoras de grande porte, que alcançam até 19 m de diâmetro de escavação. Obviamente, essas máquinas não se resumem a uma simples cabeça de corte, mas a uma instalação complexa, operada por centenas de funcionários, envolvendo dispositivos para a retirada do material escavado, a aplicação de concreto projetado e aduelas de concr
Os equipamentos também evoluíram na capacidade de escavação, desde os modelos que atingiam um diâmetro máximo de corte de 6 m, em meados da década de 1980, até as atuais tuneladoras de grande porte, que alcançam até 19 m de diâmetro de escavação. Obviamente, essas máquinas não se resumem a uma simples cabeça de corte, mas a uma instalação complexa, operada por centenas de funcionários, envolvendo dispositivos para a retirada do material escavado, a aplicação de concreto projetado e aduelas de concreto, ventilação, produção dos fluidos necessários ao processo, tratamento dos efluentes e outras utilidades. "O TBM geralmente representa 10% do custo do projeto, mas responde por 90% dos problemas relacionados a sua execução", sintetiza Lovatt.
Segundo os especialistas, os equipamentos são desenvolvidos e fabricados quase sob encomenda diante da diversidade de configurações possíveis. "A especificação da tuneladora está diretamente relacionada ao tipo de material a ser escavado, às condições geológicas na frente de escavação e às especificações do projeto", explica Rolando Justa, que dirige as operações na América Latina da norte-americana Robbins, especializada na fabricação de shields.
Em termos de autonomia de escavação, a linha de shields pode compreender desde pequenas unidades para travessias sob rodovias e estradas de ferro em geral com extensões máximas de 100 a 150 m até pipe-jackings e equipamentos para microtúneis que executam lances contínuos acima de 250 ou 600 m. No segmento das tuneladoras de grande porte (TBMs), entretanto, a autonomia chega à faixa de 15 km ou mais.
A definição do diâmetro também varia em função das exigências de cada projeto, desde os modelos de 300 mm até os TBMs de até 15,6 m. No caso dos equipamentos de grande porte, a opção por um modelo single ou double shield será determinada pela estratégia de perfuração. No caso de uma obra rodoviária ou metroviária, por exemplo, as características do projeto ou conveniências da execução poderão determinar o emprego de um único equipamento de grande porte (acima de 14 m de diâmetro), cuja escavação irá abrigar os dois túneis da obra, ou o emprego de dois modelos menores (na faixa de 4 a 6 m de diâmetro) para a execução de cada um deles simultaneamente.
Tipos de shields
As condições geológicas, por sua vez, determinam o princípio operacional do equipamento, que poderá ser um TBM de frente aberta (mais tradicional e de menor custo operacional), para escavação de rocha sã, ou um modelo com frente fechada e sob pressão hidrostática, indicado para condições mais adversas, como rocha alterada ou com muitas fraturas. A configuração do equipamento também determina se ele poderá ser aplicado apenas em escavações acima do lençol freático ou mesmo em solos encharcados.
Rolando Justa explica que os equipamentos que operam sob pressão balanceada (EPB) são indicados para escavações em presença de água. "A retirada do material escavado por parafuso ajuda a controlar a pressão na frente de escavação de acordo com a sua velocidade de giro", ele afirma. Já os modelos do tipo slurry, que injetam lama bentonítica para a contenção das paredes do túnel escavado, encontram aplicação em situações com a presença de água e muitos finos. "Em compensação, eles impõem um custo adicional à operação, que é a estação de tratamento de efluentes e reciclagem do fluido."
Além disso, há equipamentos dotados de couraça dupla, que ejetam as aduelas de concreto e realizam sua instalação simultaneamente ao avanço da cabeça de corte, conferindo alta produtividade ao serviço. "Se a escavação ocorrer em rocha sem autosustentação, o equipamento pode ser dotado de um sistema que realiza a instalação de vergalhões de aço simultaneamente ao avanço do shield, evitando a queda de matacões", afirma Justa. Os TBMs também podem incorporar outros dispositivos, como braços para a aplicação de concreto projetado e outras soluções.
Outro ponto a se considerar, para a maior eficiência da operação, é a escolha correta da ferramenta de corte, sendo que alguns modelos têm capacidade para escavar rochas que demandam pressões de até 300 MPa devido a sua dureza. A definição dos bits utilizados e sua durabilidade são determinadas pelo tipo de rocha, pelo percentual de sílica, a velocidade de avanço da cabeça de corte, bem como a ocorrência de fraturas e até mesmo o ângulo dessas fissuras em relação ao eixo do túnel.
Todas as configurações já citadas, entretanto, não esgotam as possibilidades de desenvolvimento da tuneladora, que pode incorporar várias funcionalidades, de acordo com a necessidade do usuário. A Construtora Norberto Odebrecht ilustra essa máxima em sua operação na Venezuela, onde a empresa vem atuando nas obras do metrô de Caracas desde 2004. "Constatamos que as obras na cidade envolveriam a escavação subterrânea de alguns trechos com rocha pouco alterada, o que exigiria um TBM de frente a aberta, e de outros trechos com rocha mais instável, demandando a aplicação de um equipamento tipo EPB", explica Danilo Abdanur, gerente da construtora.
Em função dos levantamentos geológicos, ele diz que a empresa encomendou um shield conversível, do modo aberto ou EPB, o que lhe conferiu competitividade na disputa dos projetos. "Atualmente contamos com seis unidades dessa configuração, das quais duas estão operando na obra da linha 5 e duas na da linha 2." Segundo Abdanur, quando trabalham em modo de frente aberta, com a utilização de esteiras para a retirada do material escavado, as tuneladoras apresentam maior produtividade na escavação e menor desgaste dos componentes.
Quando precisam operar em modo EPB, as esteiras são substituídas pelo parafuso e a frente de escavação transforma-se numa câmara fechada e pressurizada. Os equipamentos, fornecidos pela alemã Herrenknecht, têm 5,88 m de diâmetro e trabalham na execução de túneis gemiados paralelamente, abaixo do lençol freático e com pouca profundidade, escavando uma rocha alterada com dureza média de 50 MPa. "Essa condição é enfrentada na área central da cidade, onde eles operam com a frente fechada também para evitarmos recalques nas estruturas existentes na superfície."
Logística de operação
Abdanur avalia que essa configuração de equipamento proporcionou um ganho de produtividade às escavações subterrâneas de 25% a 50%. "Nas operações em modo EPB, precisamos trocar as ferramentas de corte a cada três dias, o que exige acesso à câmara hiperbárica." O equipamento também contempla portas de acesso para a manutenção dos parafusos, além de contar com um motor hidráulico adicional cuja potência foi ampliada. "Entre outras funcionalidades, ele conta com um eretor que instala as aduelas de concreto, posteriormente aparafusadas com chave de impacto."
Para preencher o vão livre entre a aduela instalada e a superfície escavada, o equipamento conta com um sistema de bombeamento de grouting, produzido na superfície. "O fluido vem com retardador de pega e recebe um aditivo acelerador no momento da aplicação." Toda essa logística, obviamente, envolve um planejamento complexo e a mobilização de uma equipe considerável.
De acordo com Abdanur, cada tuneladoras mobiliza 25 profissionais para sua operação em cada um dos dois turnos de trabalho, além de 30 funcionários na superfície para a produção de fluidos e seu pós-tratamento, de outros 10 empregados envolvidos com a administração e 20 profissionais dedicados à manutenção do equipamento. Tudo isso sem contar a central de concreto e a produção de aduelas, que demandam mais 60 funcionários para cada um de seus dois turnos de trabalho.
Desafio sob os Andes
Outro projeto da Odebrecht, em execução no Peru, ilustra uma situação limite na qual os equipamentos operaram sob as condições mais adversas na frente de escavação. O desafio enfrentado, nesse caso, foi a geologia instável da rocha, que dificultava a execução do Túnel Transandino Olmos, de 20,1 km de extensão, dos quais 12,5 km escavados com tuneladora.
Projetado para realizar a transferência de água do rio Huancabamba, no lado oriental dos Andes, para as áreas secas na bacia hidrográfica do Oceano Pacífico, o túnel foi concebido para também induzir o crescimento econômico da região beneficiada, viabilizando a irrigação de 40 mil hectares de uma área extremamente seca. Além disso, sua construção possibilita a instalação de duas usinas hidrelétricas, com capacidade de geração anual de 600 MW, que vão se beneficiar do fluxo de água.
Executado sob a Cordilheira dos Andes, a uma profundidade de 2.000 m, o que o torna o segundo túnel mais profundo escavado por tuneladora, o projeto se revelou um desafio de grande envergadura. Isso porque a geologia complexa da região, formada por uma rocha vulcânica instável e com muitas fraturas, dificultava o avanço do shield, um equipamento de 5,3 m de diâmetro, fornecido pela Robbins. Executado entre março de 2007 e dezembro de 2011, o túnel registrou a fantástica marca de 16 mil desabamentos espontâneos e "desplacamentos" de rocha nas áreas já escavadas, reduzindo o avanço do TBM à média de 10 m/dia.
Os levantamentos geológicos, que apontavam a ocorrência de uma rocha de dureza variável, até 250 MPa, e pelo menos três zonas com falhas de 50 m de extensão, já antecipavam o problema. Por esse motivo, a cabeça de corte da tuneladora Robbins foi projetada levando em consideração estas condições, incorporando um dispositivo de sondagem da perfuração com alcance de 360º. O shield também foi dotado de recursos para conferir maior suporte à frente escavada, como ancoragens com parafusos, a aplicação de concreto projetado, tela de aço e cambota metálica, entre outras soluções.
Controle do avanço
À medida que o shield avançava e a altura de cobertura do túnel aumentava, entretanto, as fraturas espontâneas e os "desplacamentos" se tornavam mais frequentes. Essas ocorrências danificavam as ferramentas no teto do TBM, que não conseguia segurar a rocha extremamente pressurizada que se soltava diretamente atrás do suporte da cabeça de corte. "Precisávamos de um sistema para evitar o deslocamento do teto e a perda de tempo para sua limpeza com bate-choco, além de melhorar as condições de segurança na área de trabalho", explica Biaggio Carollo, gerente de projetos da Odebrecht.
Após tentar várias estratégias infrutíferas para o controle do processo, incluindo o uso de cambotas de aço em anel duplo e com menor espaçamento, a solução foi proposta pela canadense McNally. Com isso, a tuneladora foi equipada para instalar vigas e chapas de aço durante o avanço na escavação. As sondagens geológicas também foram aprimoradas, identificando que a instabilidade se intensificava aproximadamente 1 m à frente da cabeça de corte.
Essas iniciativas aumentaram a produtividade do serviço, proporcionando avanços diários de 20 m, além de conferir maior segurança ao processo. Nesse quesito, aliás, a política de segurança adotada pela construtora, que previa a evacuação dos operários para áreas mais seguras diante de uma situação de risco, também contribuiu para o sucesso da operação sem comprometimento à integridade do quadro de pessoal.