Rafael Ribeiro Ottero Perez Graduando em Eng. Civil pela Universidade Nove de Julho UNINOVE e Construtora Andrade Gutierrez SA., São Paulo, Brasil

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1 Alguns Conceitos Técnicos para Escavação de Túneis por NATM - New Austrian Tunneling Method - Empregados na Extensão da Linha 2 Verde do Metrô de São Paulo. Marcus dos Reis Prof. Doutorando, MSc, Eng. Civil, Universidade Nove de Julho UNINOVE; CT-Obras da Seção de Vias Terrestres e Estruturas do IPT; São Paulo, Brasil Rafael Ribeiro Ottero Perez Graduando em Eng. Civil pela Universidade Nove de Julho UNINOVE e Construtora Andrade Gutierrez SA., São Paulo, Brasil Luiz Carlos Rusilo Eng. de Minas, Pontifícia Universidade Católica de São Paulo, São Paulo, Brasil RESUMO: Este artigo apresenta alguns conceitos técnicos empregados na escavação de túneis por NATM - New Austrian Tunneling Method - para execução de obras metroferroviária, adotados nas obras de expansão da linha 2 verde do Metrô de São Paulo. O sistema consiste na rápida instalação do suporte após a escavação e ocorrência do alívio parcial das tensões iniciais do maciço. Esse método inicialmente foi inspirado no trabalho de escavação de minas de exploração de minério. Rabcewicz (1948) desenvolveu o método construtivo a fim de executar a escavação de túneis em maciços rochosos. O processo ocorre por meio da escavação subterrânea que, empregando concreto projetado como revestimento, busca a estabilização das deformações do terreno através do alívio monitorado das tensões atuantes. Neste artigo são abordados alguns dos principais critérios do projeto, como levantamentos topográficos e noções sobre o conhecimento do terreno. PALAVRAS-CHAVE: NATM; Escavação; Túnel; Maciços; Estabilização. 1. INTRODUÇÃO O trabalho de escavação em minas de exploração de minério necessita estabilização rápida para evitar colapsos do maciço. Em 1945 o Prof. Dr. Ladislau Von Rabcewicz desenvolveu o NATM, New Austrian Tunneling Method, para avanço de escavações em túneis rochosos, patenteado em Este sistema evoluiu, sendo utilizado em alguns tipos de solos, inclusive nos poucos consistentes os quais apresentam baixa resistência e/ou grande deformabilidade quando submetidos a esforços resultantes de escavação. O método foi empregado em grandes obras viárias e metroviárias como: Rodovia Imigrantes, Linha 2 Verde do Metrô de São Paulo e Linha 4 Amarela do Metrô de São Paulo. 2. NATM - NEW AUSTRIAN TUNNELING METHOD As primeiras publicações sobre o NATM surgiram em três artigos pela Revista Water Power escritos por Rabcewicz em 1964 e Segundo Ferrari (1993), caracteriza-se como um processo de escavação subterrânea que, utilizando o concreto projetado como revestimento, busca a estabilização das deformações do terreno através do alívio controlado das tensões atuantes, exigindo para isso instrumentação de campo adequada e a monitoração constante das condições de escavação, para que sejam alcançados os resultados esperados. Nos túneis em solo, o revestimento é usualmente constituído de concreto projetado e cambotas metálicas. Nos túneis em rocha, emprega-se concreto projetado, tirantes e

2 chumbadores, e mais raramente, cambotas. Essa metodologia, aparentemente simples, envolve vários conceitos de projeto e cálculo. Deve-se evitar a acomodação interna das camadas no núcleo do maciço, devido ao não preenchimento dos vazios entre o suporte e o terreno, ou na ocorrência de deformações excessivas de um suporte de maior flexibilidade, principalmente pelo retardo na execução do escoramento, o que acarreta perda da capacidade portante. 3.4 Mobilização da capacidade portante do maciço Evitando-se deformações excessivas no maciço, a capacidade de auto-suporte não é perdida. Há, então, a mobilização de uma camada de proteção próxima à superfície escavada, atuando como um elemento de escoramento. Figura 1 - Execução do Concreto projetado Obra da Linha 2 Verde do Metrô de S.P. (2005) 3. TÉCNICAS PARA CONSTRUÇÃO DE TÚNEIS EM TERRENOS DE BAIXA RESISTÊNCIA No manual técnico de túneis em terrenos pouco consistentes, Melo (1998) apresenta 15 dos mais importantes conceitos do NATM, explanados a seguir. 3.1 O maciço circundante participa do suporte Os maciços circundantes do túnel, que inicialmente atuam como elemento de carregamento, passam a constituir um elemento de escoramento por sofrer deslocamentos mínimos, comedidos, que promovem a mobilização de sua resistência interna. É o principio da estabilização pelo alívio de tensões, com deformações mínimas, controladas, inferiores às que levam à ruptura. 3.2 Preservação da qualidade do maciço circundante Conservar a qualidade do maciço tanto quanto possível, com cuidados ao longo da escavação e aplicação imediata do suporte adequado, evitando que as deformações ultrapassam o limite de auto-sustentação, ocasionando a ruptura do maciço. 3.3 Afrouxamento no interior do maciço é prejudicial 3.5 Caracterização geológico-geotécnica minuciosa do maciço A realização de ensaios in situ e de laboratório, somando-se às investigações de prospecção geológica, permitem a caracterização e determinação de parâmetros geomecânicos do maciço ser escavado. Esse conhecimento oferece subsídios para a definição do método construtivo, para o dimensionamento do suporte e do revestimento definitivo. 3.6 Adequação da parcialização frente às condições geotécnicas do maciço A parcialização adequada da frente de escavação é função do comportamento do maciço, que se traduz no tempo de autosustentação e deformabilidade do material. Quanto maior o número de etapas, menor a área unitária de escavação e maior será o tempo de auto-suporte da abertura não escoradas e menores os recalques. Os fatores que influem na parcialização são os equipamentos existentes no mercado, os prazos de execução e os custos, devendo-se buscar avanços rápidos com economia do suporte, com adequação aos tipos de terrenos e suas condições. 3.7 Utilização do suporte adequado no momento correto

3 Este é o conceito que apresenta a maior dificuldade na aplicação do NATM, dependendo muito da experiência da equipe executora da obra para a avaliação da deformabilidade do próprio suporte e o momento de sua aplicação. A aplicação de suportes pouco deformáveis e muito cedo, exige que suas capacidades sejam superiores àquelas realmente necessárias no caso ótimo, devido ao fato de se trabalhar com níveis de tensão mais elevados, quando o maciço suportaria ainda certo alívio. 3.8 Eliminação de vazios na interface maciçosuporte O desenvolvimento do concreto projetado possibilitou que o suporte atue em toda a superfície escavada, melhorando a interação do suporte com o terreno. Métodos clássicos, com escoramento de madeira, têm atuação pontual sobre o maciço, resultando vazios na interface, dando condições para o início do desagregamento do material, que contribuíam para a perda de auto-suporte do maciço. 3.9 Utilização de ancoragens, cambotas e telas A fim de maximizar as condições de sustentação e quando necessário, utilizam-se elementos estruturais adicionais ao concreto projetado, como cambotas ou telas embutidas no concreto, e ancoragem do tipo tirante ou chumbador. A colocação sistemática de ancoragem permite a mobilização da capacidade portante do maciço, impondo às tensões confinantes ao redor da abertura que elas se mantenham em níveis inferiores à ruptura, limitando as deformações Fechamento do arco invertido Segundo a seção transversal, o suporte do túnel é projetado como um anel contínuo, exigindo o fechamento do arco invertido próximo à frente de escavação. Nos casos em que é previsto um avanço pronunciado da calota, por questões de otimização construtiva, costuma-se executar um arco invertido provisório, fechando, durante esse período, o anel do suporte. Na ocasião da execução do rebaixo esse arco é demolido e o arco definitivo é executado na sua posição de projeto Redução da seção escavada ao mínimo necessário A redução da seção ao mínimo necessário, associado à colocação de suporte delgado de concreto projetado, sem perda de área útil, altera menos as características do maciço, pois há condições de formação da capa protetora mais perto da abertura Preferência por seções arredondadas Evitando-se seções transversais com cantos vivos, eliminado-se o problema de concentração pontual de tensões, que podem levar o material à ruptura Acompanhamento da execução por meio de leituras intensivas da instrumentação de campo No NATM, a auscultação de campo tem papel fundamental, pois permite medir o desenvolvimento de deformações, alívio das tensões no maciço, interação do suporte com o maciço circundante, variação das pressões, dentre outros. Medidas intensivas da instrumentação de campo, em princípio, fornecem subsídios para revisão e otimização do método construtivo, como por exemplo, redimensionamento da ancoragem (número e capacidade), espaçamento das cambotas, redefinição da parcialização da frente de escavação e verificação da capacidade de suporte do concreto projetado Estabilização das deformações do conjunto maciço-suporte Após o fechamento do arco invertido do suporte, o conjunto estabiliza, cessando as deformações. O revestimento definitivo tem por objetivo melhorar as condições de estabilidade e indeformabilidade e garantí-las ao longo dos anos Minimização das pressões neutras por meio de drenagem A instalação de drenos na interface permite o alívio das pressões neutras sobre a superfície do suporte do túnel, melhorando as condições de segurança da obra.

4 É importante salientar que em todos os casos de insucessos na execução de túneis pelo NATM, verificou-se que um ou mais dos princípios acima não foram obedecidos. 4 - CRITÉRIOS DE PROJETO De acordo com Mello (1998), o levantamento topográfico deve ser preciso e realizado em toda a área a ser atravessada pelo túnel, em escala de no mínimo 1:2.000, com traçado das curvas de nível a cada metro. Devem constar da planta topográfica todas as características da superfície do terreno, tais como afloramentos de rocha, tipo de vegetação, erosões, bacias com água, deslizamentos, falhas, rastejamento de encostas, etc. Na área dos emboques a escala da planta deve ser preferencialmente 1:500, e curvas de nível traçadas a cada metro, permitindo a elaboração do projeto de terraplenagem. Para minimizar a possibilidade de colapsos é necessário profundo conhecimento do terreno, pois durante a escavação do túnel isto possibilitará que sejam adotadas medidas preventivas. O estudo do perfil geológico é o primeiro passo para a elaboração do projeto, originando a conceituação geológica do maciço através de estudos, que compreendem: - pesquisa bibliográfica e mapeamento geológico-geotécnico da área de implantação do túnel; - elaboração de modelo geológico: ênfase em compreensão estrutural e geomorfológica; e - elaboração do plano de investigação do maciço por meio de sondagens mecânicas e/ou geofísicas, bem como caracterização das amostras das sondagens e elaboração da classificação geomecânica do maciço. Entretanto por mais detalhado que tenha sido o projeto do empreendimento, durante a escavação é comum surgirem situações não detectadas nos trabalhos precedentes, que exigirão um tratamento adequado, ou até mesmo a reformulação de critérios de classificação e de projeto. Nesta fase o mapeamento geológicogeotécnico criterioso e o acompanhamento do avanço das escavações assumem importância fundamental, pois permitirão verificar a validade dos parâmetros utilizados nas definições de projeto e/ou a inadequabilidade dos critérios utilizados, sendo necessária a reformulação e revisão do projeto buscando-se também a minimização do custo do sistema escavação/suporte, reduzindo prazos e aumentando a segurança ao longo da obra. As verficações devem ser feitas para possíveis adaptações entre classes de maciço, método construtivo e tipo de suporte. Essa adaptação é baseada na interpretação dos condicionantes geológicos - geotécnicos e da instrumentação, que compreende um conjunto de aparelhos e sistemas para observação e medição do comportamento do maciço, e é relevante nesta fase, pois em alguns casos seus resultados são os únicos indicadores de que a correlação entre a classe de maciço, o método construtivo e o suporte está adequada. 5 - EXECUÇÃO DA OBRA De acordo com Mello (1998), para viabilizar a escavação de um túnel pelo NATM, é importante que o terreno tenha capacidade autoportante, por isso torna-se necessária a estabilização do maciço, durante o tempo mínimo de instalação do suporte. 5.1 Conhecimento do Solo Percebendo a importância do conhecimento do comportamento do maciço, Terzaghi (1950) apresentou uma classificação de solo baseada na reação do maciço submetido a escavação e no tempo decorrido entre o início das escavações e o início da instabilização do maciço, denominada classificação do tuneleiro. Segundo este critério, o solo é classificado em seis categorias que consideram o modo como o maciço se degrada em conseqüência da escavação do túnel. A classificação cuja característica representa maior parcela do tipo do solo estudado é a do solo desplacante. Esta classificação descreve o maciço que se instabiliza através de placas ou blocos de solo que se destacam após a sua exposição. Se o processo não for interrompido os desplacamentos podem ocorrer progressivamente, formando cavidades ou

5 capelas que podem atingir a superfície. Figura 2 Comportamento do solo em consequência da escavação. 5.2 Estabilização do Maciço Segundo Mello (1998), há vários processos para essa finalidade, sendo que a sua adoção depende dos seguintes fatores principais: Viabilidade técnica, custo e prazo de execução. Os processos empregados na obra em epígrafe, são: Drenagem O rebaixamento do lençol freático por gravidade é obtido por meio de perfurações no maciço, com objetivo de aliviar a pressão d água atuante em cotas acima do túnel a escavar Enfilagens Destinam-se a estabilizar o topo da calota antes da escavação, sendo executadas a partir da face de escavação. O tipo mais usual de enfilagem é um tubo de aço de 100mm cravado subhorizontalmente no maciço, paralelamente ao eixo do túnel. O comprimento é de 10 a 12m, sendo 8 a 9m efetivos e o restante para o transpasse. O espaçamento entre tubos é de 20 a 60cm, dependendo do tipo de maciço a estabilizar Agulhamento É promovido com a execução de uma escora natural, conseguida com a conservação de parte do maciço protuberante a face frontal, configurando um talude na seção escavada. Quando o material não é suficientemente estável para configurar o talude, utiliza-se o processo de agulhamento da face, que consiste na cravação de tubos de fibra de vidro de pequeno diâmetro na face escavada, atingindo a profundidade de 4 a 8m, dependendo da consistência do material. 5.3 Escoramento em conjunto com concreto projetado Cambotas São arcos de perfis laminados ou treliças de vergalhões de aço. As cambotas são fabricadas em segmentos e montadas no local de aplicação por meio de parafusos, e têm por finalidade suportar as cargas do terreno nas primeiras horas após a escavação Malha de aço soldada Pode ser usada singelamente ou combinada com cambotas e tirantes, dependendo das condições geológicas do maciço. Na utilização em conjunto com cambotas, a malha é colocada entre as almas dos perfis metálicos das cambotas ou fora das mesas externas, de modo que em primeiro caso, o preenchimento com concreto projetado entre cambotas é feito após a colocação da malha, e em segundo caso o preenchimento é feito antes da colocação da malha. 6. ESCAVAÇÃO A primeira função do emboque é servir de arrimo, ou seja, a estrutura do emboque não deve interferir na estabilidade do maciço, sem antes, agir no sentido inverso, isto é, majorando a segurança local. Outra característica fundamental do emboque é interferir o mínimo possível no meio ambiente. Os tipos mais comuns de emboques são: Túnel falso, poço, cortina atirantada, muro de arrimo e parede diafragma. De acordo com Mello (1998), em condições e situações de implantação normais, o túnel falso deve ter preferência sobre as demais soluções, pois agride menos o maciço, além de proporcionar um arrimo adequado à estabilidade frontal do talude. Os poços são utilizados com freqüência, principalmente em obras urbanas, onde os acessos horizontais são muitas vezes inviáveis devido a grande abrangência da topografia

6 usual e densa ocupação em superfície. Na Figura 3 esta apresentado o fluxograma genérico que ilustra a sequência execitova para o sistema construtivo com NATM. em grandes centros urbanos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a UNINOVE - Centro Universitário Nove de Julho departamento de Engenharia Civil pelo apoio a pesquisa e aos profissionais da Construtora Andrade Gutierrez SA pelo acesso ao acervo técnico, e a equipe integrante do corpo de engenharia do empreendimento, que contruibuiu com está pesquisa. REFERÊNCIAS Figura 3 Fluxograma genérico que ilustra a sequência executiva para o sitema construtivo com NATM. A escavação de cada ciclo de avanço do túnel deve ser feita sempre dentro do menor tempo possível para evitar que o terreno se movimente antes da aplicação do concreto projetado de estabilização inicial. Para isso a escavação deve se restringir inicialmente ao mínimo necessário para introdução do escoramento, mediante a abertura de um nicho. Na face de escavação costuma ser deixada uma cunha protuberante para garantir a estabilidade da face quando necessário. DE Mello, V.; Boscov, P. & Campanhã C. Túneis em Terrenos Pouco Consistentes. Manual Técnico. São Paulo: CBPO, Ferrari, O.A. O NATM como Alternativa Versátil de Método Construtivo. Revista do Instituto de Engenharia, São Paulo, v.1, n.494, p , mar Murakami C. A. Noções Básicas para Acompanhamento Técnico de Obras de Túneis. 2001, 113 p. Dissertação (Mestre em Engenharia) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, Rabcewicz, L.v The New Austrian Tunnelling Method. Revista Water Power p Novembro 1964, p , Dezembro 1964, p.19-22, Janeiro Ribeiro Neto, F. Segurança, Ruptura e Colapso de Túneis Urbanos em NATM. 171 p. Dissertação (Mestre em Engenharia) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, Terzaghi, K. Geologic aspects of soft-ground tunneling. In: TRASK,P.D. Applied sedimentation. New York: Wiley, Cap.11, p CONCLUSÕES Para potencialização de resultados satisfatórios ao longo da obra, torna-se fundamental a participação ativa de engenheiros e técnicos coma amplo conhecimento em geotecnia, assim como vasto domínio do projeto e de suas particularidades. O sistema NATM aplicado a obra em questão apresentou resultados motivadores frente aos desafios encontrados, como elevada área construída e interferência em seus arredores, prazo ousado e implantação de túneis