EXECUÇÃO DE TÚNEIS EM N.A.T.M (NEW AUSTRIAN TUNNELING METHOD) PARA OBRAS DE SANEAMENTO

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1 FLÁVIO AUGUSTO MOREIRA VIEIRA EXECUÇÃO DE TÚNEIS EM N.A.T.M (NEW AUSTRIAN TUNNELING METHOD) PARA OBRAS DE SANEAMENTO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Anhembi Morumbi no âmbito do Curso de Engenharia Civil com ênfase Ambiental. SÃO PAULO 2003

2 FLÁVIO AUGUSTO MOREIRA VIEIRA EXECUÇÃO DE TÚNEIS EM N.A.T.M (NEW AUSTRIAN TUNNELING METHOD) PARA OBRAS DE SANEAMENTO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Anhembi Morumbi no âmbito do Curso de Engenharia Civil com ênfase Ambiental. Orientador: Prof. (MS.) Sidney L. Martins. SÃO PAULO 2003

3 AGRADECIMENTOS Ao professor Sidney L. Martins pelo incentivo e motivação dedicados, pela orientação nos momentos difíceis em busca de novos conhecimentos. Pelos esclarecimentos técnicos fornecidos e pela total disponibilidade de ajuda sempre que requerida, sem nunca questionar ou reclamar. A Engª. Maria Cecília Guazzelli (Carlos E.M. Maffei Engenharia), por ter cedido material didático e esclarecido inúmeras dúvidas no processo executivo e compartilhado suas experiências profissionais. Aos Engenheiros Sálvio L. Fangen e Eduardo Ávila Franchi (Construcap CCPS Engª e Com.) por terem aberto as portas da empresa, mostrando toda tecnologia dos diversos processos de execução de túneis, inclusive, fornecendo materiais didáticos e dispondo do precioso tempo para o esclarecimento de dúvidas e troca de informações que foram fundamentais para o desenvolvimento deste trabalho. Não posso esquecer dos meus pais, José Augusto e Sônia que me incentivaram e me deram apoio ao longo de todo o curso e que estiveram ao meu lado durante essa etapa de minha vida que foi superada com muito empenho e dedicação. A minha noiva Graziela Juliati que esteve ao meu lado em todos os momentos desta longa jornada, sempre compreensiva e amiga, sempre me dando força para que eu conclui-se mais esta etapa de minha vida. A todos os professores não citados, mas que nos motivaram e incentivaram ao longo do curso e que ajudaram a semear os frutos que serão colhidos em um futuro breve.

4 SUMÁRIO RESUMO...IV ABSTRACT...V LISTA DE FIGURAS...VI LISTA DE TABELAS...VII 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivo Específico METODOLOGIA DO TRABALHO JUSTIFICATIVA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA MÉTODOS DE ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS PARA OBRAS DE SANEAMENTO Vala a céu aberto (Método Destrutivo) TBM (Tunnel Boring Machines) Escavação de tunnel liner pelo método não destrutivo N.A.T.M. (New Austrian Tunnelling Method) Execução de poço com revestimento em concreto projetado Execução do N.A.T.M Sistema de Suporte i

5 Cambotas Metálicas Enfilagens Concreto Utilizado na Execução do N.A.T.M Concreto projetado Tipos de Projeção Projeção - Via úmida Projeção - Via seca Projeção - Via semi-úmida Condições Para Início Dos Serviços Aplicação Cura Manutenção dos Serviços Executados Materiais Utilizados Areia Pedrisco Cimento Aditivos Adições Água Preparo da superfície: Projeção Cura ESTUDO DE CASO Obra SABESP (Projeto Tietê Fase II) Interceptor de Esgotos Ipi 07 São Paulo Introdução Vantagens Desvantagens Interferências Prazo, Custos e Justificativa Comparativo de Preços entre os Métodos ii

6 7 CONCLUSÕES...70 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...72 GLOSSÁRIO...75 iii

7 RESUMO O trabalho apresenta os métodos de execução de túneis em obras de saneamento, as suas tecnologias, os materiais e equipamentos e as etapas do método N.A.T.M. (New Austrian Tunneling Method). Apresenta-se, também, como a tecnologia do método não destrutivo N.A.T.M. é utilizada em diversas obras, com resultados satisfatórios sem agredir o meio ambiente e a comunidade. iv

8 ABSTRACT The Word presents the methods for execution of tunnel in sanitation workmanship and your technologies, the materials and equipments and the steps from method N.A.T.M. (New Austrian Tunneling Method). Also, presents, like a technology from method unrestricting N.A.T.M. it s using in many workmanship with satisfactory results without the ambient and the community. v

9 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Escoramento com Estacas Prancha...8 Figura 2: Vias de Acesso ao Canteiro...9 Figura 3: Isolamento da Área de Trabalho...10 Figura 4: Escarificadora de Solo...11 Figura 5:Tunnel Boring Machines...12 Figura 6: Cravação de Tubos de Concreto...13 Figura 7: Isolamento do Canteiro de Obras...14 Figura 8: Armação da Parede de Reação do Poço de Serviço...16 Figura 9: Revestimento Metálico dos Túneis...18 Figura 10: Frente de Ataque...19 Figura 11: Emboque do Túnel...20 Figura 12: Telas e Arranques do Guarda Corpo...22 Figura 13: Escavação e Fixação de Telas de Aço...23 Figura 14: Armação da Laje de Fundo...24 Figura 15: Esquema Construtivo do N.A.T.M Figura 16: Escavação em Bancadas...28 Figura 17: Poço de Serviço Acesso ao túnel em N.A.T.M Figura 18: Enfilagens...31 Figura 19: Escavação Parcial do Túnel...33 Figura 20: Gráfico de Colapso de Frente...34 Figura 21: Esquema de Instrumentação Mecânica...37 Figura 22: Cambota Metálica...43 Figura 23: Equipamento de Projeção...46 Figura 24: Revestimento em Concreto Projetado...51 Figura 25: Colocação da Telas...60 Figura 26: Caminhamento do Interceptor (Montante)...62 Figura 27: Caminhamento do Interceptor (Jusante)...62 Figura 28: Local da Travessia Sob o Rio Pinheiros...64 Figura 29: Túnel em N.A.T.M. Concluído...65 vi

10 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Equipe de Execução do N.A.T.M...35 Tabela 2: Características Geométricas do Interceptor Ipi Tabela 3: Comparativo de Preços no Diversos Métodos...69 vii

11 1 INTRODUÇÃO Os registros de túneis indicam a sua existência há milhares de anos. Túneis são um dos mais antigos tipos de construção exercidos pelo homem. São passagens artificialmente abertas, em formações rochosas ou sob o solo, para permitir o escoamento de água, o acesso a minas e, principalmente, a comunicação mais rápida entre locais isolados pelo relevo topográfico. Desde o antigo Egito, são conhecidos certos túneis com cerca de 150 m de comprimento. Os gregos abriram, no ano 532 A.C., uma galeria de 100m para captar a água de fontes existentes entre rochas. Eles começaram as escavações, simultaneamente, nos dois extremos e de fato, se encontraram no meio da montanha. Os romanos usaram como os gregos os túneis para conectar suas redes de aquedutos. Eles chegaram a criar determinadas técnicas de trabalho, como a aplicação do calor, baseados no princípio de que uma rocha aquecida, quando resfriada rapidamente, se parte com certa extensão tornando-se mais fácil para ser escavada. Exemplos de casos históricos: 4000 anos Babilônia Túnel sob o Rio Eufrates, 1 km de comprimento com seção de 3,6 a 4,5 m. Construído a céu aberto, com o desvio do rio. Túneis dos aquedutos romanos, construídos há 1800 anos atrás, reconstruídos em 1925 e ainda em uso. Monte Cenis, entre França e Itália Início em 1857 e término em 1871, com a introdução de perfurações nas rochas e utilização de dinamite. 1

12 Londres 1869 Marc Brunel desenvolveu um aparato que escorava as paredes do túnel conforme o mesmo ia sendo aberto, avançando à medida que se alinhavam as galerias com tijolos ou pedras de cantaria. O invento foi criado durante a construção de um túnel sob o Rio Tâmisa. No Brasil, somente a partir de 1948, foram contratados geólogos para o estudo da abertura do túnel de Santa Cecília, escavado pela Light, no Rio de Janeiro. No passado, prevalecia o procedimento de abrir túneis sem qualquer estudo prévio quanto à natureza dos solos ou das rochas a atravessar. Esse procedimento ocasionou uma série de fracassos, sobretudo pela ocorrência de fenômenos não previstos, como desmoronamentos e excessiva infiltração d água, que não só encareceram muito o custo da obra como prolongaram de maneira considerável, o período de sua construção. Esses fenômenos ocorreram mesmo em túneis abertos em regiões consideradas como constituídas inteiramente de rocha viva. O auxilio que as informações de natureza geológica podem proporcionar, não se relacionam apenas ao objetivo de evitar as surpresas dos tipos acima citados, como também permitir a elaboração de um projeto mais adaptado às peculiaridades geológicas locais. 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, mas também pela simplificação da construção e da sua locação topográfica. 2

13 A fase mais importante dos trabalhos preliminares para túneis é a exploração cuidadosa das condições geológicas. O reconhecimento geológico é feito através de investigações superficiais, complementada com sondagens espaçadas adequadamente, as quais fornecem as informações para o projeto preliminar. 3

14 2 OBJETIVOS 2.1 Objetivo Geral Descrever os principais métodos construtivos de túneis para obras de saneamento assim como suas principais vantagens e desvantagens, abordar a sua eficiência nas obras de saneamento e os principais materiais e mão de obra empregados na execução desses túneis. 2.2 Objetivo Específico Apresentar informações técnicas das principais vantagens do método N.A.T.M. para execução de túneis, utilizados em obras de saneamento, bem como os avanços tecnológicos atingidos na utilização deste processo construtivo. Embora, tratando-se de um método moderno e inovador, o N.A.T.M. possui dificuldades e limitações de execução que serão abordadas neste trabalho. Procura-se demonstrar as verificações que são realizadas durante a execução das obras, bem como os diâmetros mais usuais e os tipos de solo que o N.A.T.M. apresenta maior eficiência, tornando sua execução mais viável que os outros métodos construtivos disponíveis no mercado. O processo executivo do N.A.T.M. pode e deve ser utilizado de maneira racional, sem prejudicar o meio ambiente e a comunidade, durante sua execução. Abordar-se também a influência direta e fundamental do concreto durante a execução dos túneis e o tempo de vida útil destas obras, em relação aos demais métodos existentes. 4

15 Demonstrar os itens de segurança que devem ser levados em consideração durante a execução dos túneis visando preservar a integridade física das pessoas que executam estas obras. No estudo de caso com a obra do Projeto Tiête Fase II é apresentado todo o detalhamento de execução de uma obra, utilizando o método N.A.T.M., onde procurou mostrar suas vantagens e desvantagens. 5

16 3 METODOLOGIA DO TRABALHO O trabalho foi desenvolvido baseado nas seguintes fontes de pesquisa: Livros técnicos, dos quais foram extraídos os conceitos básicos; Sites da Internet, na busca de artigos e informações adicionais sobre o tema; Reuniões com profissionais especializados na execução de obras de saneamento; Normas técnicas com especificações sobre temas relacionados ao estudo, Visitas a obras onde estão sendo executados túneis em N.A.T.M. ; Especificações técnicas da Empresa Construcap; Memorial descritivo da obra; Revistas onde são abordados assuntos ligados ao tema. 6

17 4 JUSTIFICAT IVA O N.A.T.M. (NEW AUSTRIAN TUNNELLING METHOD), bem como as obras subterrâneas, estão cada vez mais ganhando espaço, devido ao alto custo de desapropriações e á grande perturbação ao tráfego, caso fossem efetuadas escavações a céu aberto, além de não agredir o meio ambiente e a comunidade durante sua execução. Com o crescimento desordenado das grandes cidades cada vez mais se faz necessário à execução de obras de saneamento básico visando à melhoria da qualidade de vida dos habitantes destas cidades. Inicialmente o N.A.T.M. se restringiu à Europa Central, Itália e Suíça, vindo a ser difundido no Brasil em O N.A.T.M. é versátil quanto ao tipo de maciço, bem como quando à forma e dimensões necessárias. O N.A.T.M. em particular, que obteve larga aplicação nos últimos trinta anos, representou, sem dúvida na época de sua introdução, um notável progresso em relação ao passado. O objetivo da industrialização da construção de túneis em N.A.T.M. é, portanto hoje incansável junto com o planejamento de obras que poderão finalmente ser elevada dignidade das demais obras de engenharia civil. 7

18 5 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 5.1 MÉTODOS DE ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS PARA OBRAS DE SANEAMENTO Vala a céu aberto (Método Destrutivo) No método a céu aberto, o túnel propriamente dito tem seção transversal retangular para duas ou mais vias, estando sua base geralmente até 10 m em alguns casos podendo chegar a 20 m abaixo da superfície e tendo em conseqüência um reaterro de 4 m a 14 m de altura. Os diversos métodos de construção a céu aberto se distinguem principalmente pelo tipo de escoramento de acordo com a figura 1. Os principais trabalhos que acompanham esse método são: remoção das interferências, escoramento de prédios, medidas para o remanejamento do tráfego e desapropriações do terreno (Cerello, 1998). Figura 1: Escoramento com Estacas Prancha. Fonte: Flávio Augusto M. Vieira 8

19 Ainda segundo Cerello (1998), deverão ser previstas e mantidas vias de acesso ao canteiro e dentro do mesmo conforme figura 2, para permitir a chegada e locomoção com segurança das máquinas e outros equipamentos necessários, bem como das peças a serem montadas. Figura 2: Vias de Acesso ao Canteiro Fonte: Flávio Augusto M. Vieira Os equipamentos e acessórios a serem utilizados para o assentamento das tubulações deverão ser definidos pelo Engenheiro da obra com antecedência e conforme a análise do projeto de execução. Após montagem dos equipamentos o local deve ser isolado e sinalizado para restringir o acesso de pessoas estranhas e garantir a segurança do pessoal conforme ilustrado na figura 3. 9

20 Figura 3: Isolamento da Área de Trabalho Fonte: Flávio Augusto M. Vieira Definida em projeto a metodologia a ser aplicada na obra, o engenheiro acompanhará cada etapa de execução dos serviços (Sabesp 2003) Verificação do nivelamento, alinhamento do berço e assentamento de tubulações deve se utilizar nível óptico ou cruzeta. A estocagem das tubulações deve ser disposta a uma distância medida a partir da borda da vala, nunca inferior à metade da profundidade de corte. Entretanto, deverão ser considerados as cargas adicionais, provocadas pela presença e pelo tráfego de guindastes, escavadeiras e caminhões. Neste caso o engenheiro definirá a distancia entre a borda da vala e a área destinada à disposição dos materiais. Responsável deverá definir o raio de trabalho das máquinas e equipamentos para a movimentação segura e o assentamento das tubulações. 10

21 5.1.2 TBM (Tunnel Boring Machines) Segundo Lunardi (1995), as escavações mecanizadas, são cada vez mais comuns e competem, econômica e tecnicamente, com as escavações a fogo. Segundo De Mello ( 1998), a grande velocidade do avanço, comparada com a escavação a fogo tradicional, e a eliminação do desconforto ambiental, provocado pelas detonações, constituem vantagens adicionais importantes. Têm a vantagem também de manter a frente e o perímetro do túnel em situação muito estável e segura. Em geral, os maciços, cujas resistências da rocha intacta não ultrapassa 30 Mpa, podem ser escavados por escarificação mecânica conforme mostrado na figura 4. Figura 4: Escarificadora de Solo Fonte: Flávio Augusto M. Vieira Tunnel Boring Machines são auto perfuratrizes de grande diâmetro mostradas na figura 5. Ainda segundo Lunardi (1995), sucesso destes equipamentos depende das características e propriedades do maciço, pois devem escavar, sem problemas operacionais, todos os tipos litológicos e feições estruturais, identificados durante a fase de investigações preliminares. São máquinas caras e muito específicas. 11

22 Figura 5:Tunnel Boring Machines Fonte: Flávio Augusto M. Vieira Os raios de curvatura são limitados, e a presença de água não prevista pode representar problemas. Normalmente só são empregados em túneis de mais de um quilometro de extensão, devido a dificuldades de transporte, montagem e mobilização (Lunardi 1995). O processo construtivo consiste em escavação feita mecanicamente através de máquinas dotada de cabeça giratória, acionada por motores elétricos. Na parte posterior da máquina são colocados tubos de concreto pré moldados conforme figura 6, que são cravados sucessivamente no solo pelo conjunto de macacos hidráulicos. 12

23 Figura 6: Cravação de Tubos de Concreto Fonte: Flávio Augusto M. Vieira A propulsão é realizada no poço de serviço, provocando o avanço do equipamento e demais tubos já instalados. O direcionamento do túnel é conseguido com auxílio de um aparelho de raio laser, instalado no poço de serviço. Segundo Maffei (1995), os trechos a serem executados pelo método não destrutivo em tubos cravados são compreendidos em um poço de ataque (poço para início da cravação) e um poço de recepção (poço de conclusão da cravação no trecho) conforme mostrado no esquema abaixo, podendo ser até dois poços de recepção, ou seja, um poço de recepção no sentido a jusante e o outro no sentido a montante. 13

24 Esquema de Cravação de Tubos de Concreto Após montagem dos equipamentos, o local é cercado de tapumes para restringir o acesso de pessoas estranhas e garantir a segurança dos equipamentos e do pessoal conforme mostrado na figura 7. Figura 7: Isolamento do Canteiro de Obras Fonte: Flávio Augusto M. Vieira O poço de ataque deverá ter bomba submersa controlada por bóia automática, para que esta mantenha o nível de água do lençol freático estável. 14

25 Para instalação da estrutura de deslocamento, é necessária a limpeza do poço. O topógrafo determina e instala os pontos de nivelamento e alinhamento, para que se possa alinhar, nivelar e concretar a estrutura de deslocamento (macaco hidráulico utilizado para cravar os tubos). Quando tripulado, deve ser garantida ao operador da máquina a renovação do ar por meio de ventilação e ou exaustão e controle do ar atmosférico com monitor de gases. A iluminação deve ser de 24 Volts com lâmpadas de até 60W. Quando não tripulado, o comando e o controle do direcionamento é feito externamente através de um painel de controle que possibilita ao operador monitorar os comandos necessários para a correta execução. Os tubos deverão ser de concreto e, também resistir aos esforços horizontais causados pelas cargas dos macacos de cravação. Segundo Memorial descritivo Sabesp (2003), os tubos de concreto armado deverão possuir, nas extremidades de cada seção um colar para possibilitar a emenda através da junta elástica entre os tubos. Os tubos com diâmetros maiores que 1,60m poderão ser emendados por meio de parafusos tensores, previamente preparados para este fim. Na primeira seção deverá ser adaptada uma carcaça de aço shield, com a finalidade de servir como câmara de trabalho, proteger o primeiro tubo e facilitar o corte do terreno na cravação. O equipamento shield deverá ser provido dos acessórios necessários que permitam seu avanço em solos de alteração ou mesmo rocha, com a utilização de cabeça escarificadora especial. Para pequenos diâmetros o 15

26 shield deverá ser provido de software que execute o gráfico de fugas do equipamento em relação ao eixo do projeto. O poço de serviço deverá ter dimensões internas mínimas compatíveis com o tipo de equipamento de cravação. Na parede do poço de cravação mostrada na figura 8, oposta à direção na qual será cravado o tubo, deverá ser construído um quadro rígido para a reação do macaco hidráulico, compatível com o tipo de equipamento e condições de resistência do solo (Maffei, 1995). Figura 8: Armação da Parede de Reação do Poço de Serviço Fonte: Flávio Augusto M. Vieira Ainda segundo Maffei a tubulação cravada deverá entrar justa no terreno, não podendo ficar com folgas significativas externas, devendo, portanto, a tubulação ocupar totalmente a área escavada, não permitindo recalques no terreno, dispensando injeção de preenchimento com argamassa de cimento e areia ou outros materiais. 16

27 Os tubos deverão ser impermeáveis a infiltrações, atender às normas técnicas de estrutura de concreto armado para condução de líquidos agressivos, tanto do ponto de vista de recobrimento de ferragem como de fissuração de concreto. Os tubos deverão ser inspecionados e aprovados (Sabesp, 2003). Na ponta do tubo é colocado o anel de borracha, que tem a função de vedar o acoplamento, e na bolsa metálica cola-se o anel de chapa de compensado, que tem a função de um amortecedor entre os tubos no momento da cravação Escavação de tunnel liner pelo método não destrutivo Segundo De Mello (1998), processo Tunnel Liner (Túnel revestido) se caracteriza pela escavação modular do solo e montagem simultânea do revestimento metálico do túnel. Ainda segundo De Mello (1998), esse revestimento metálico será constituído por anéis de chapas de aço corrugado e galvanizadas a fogo mostrados na figura 8. Os anéis são solidarizados entre si, por parafusos e porcas galvanizadas nas bitolas convenientes e distribuídas ao longo dos flanges laterais dos mesmos. As chapas que compõem cada anel serão também emendadas por transpasse de parafusos e porcas da mesma medida que os anteriores. 17

28 Figura 9: Revestimento Metálico dos Túneis Fonte: Flávio Augusto M. Vieira A espessura das chapas será dimensionada para resistir aos esforços causados pelas cargas do solo e externas. A escavação do solo deverá ser feita de modo que a forma do túnel corresponda exatamente a do cilindro, (De Mello, 1998). Durante a execução deverá ser assegurada, se necessário, a sustentação da abóbada da escavação até que seja montado o revestimento metálico. Segundo Maffei (1995), deverão ser utilizados todos os acessórios inerentes ao processo ( Roof Shield, escudos frontais, estroncas telescópicas, tirantes metálicos) assegurando a estabilidade da frente de escavação, sempre que as características geotécnicas do solo assim determinar. Segundo Ribeiro Neto (1999), para segurança na execução dos avanços programados, deverão ser executadas sondagens na frente de escavação através de furos horizontais e furos com inclinação ascendente para verificação de eventual existência de água e alteração localizada de solo. Segundo Maffei (1995) a verificação do alinhamento do túnel será feita periodicamente à freqüência de no máximo um ponto a cada 3m de avanço. 18

29 O desvio observado deverá ser imediatamente corrigido, para repor o eixo do túnel escavado na posição do eixo teórico. Segundo Redaelli (1998), o revestimento estrutural interno para o túnel deverá ser de concreto impermeável às infiltrações e resistir aos esforços causados pelo solo e trânsito de veículos, sem contar com os anéis metálicos segundo Mello (1998). Deverá atender às normas técnicas de estruturas de concreto armado para condução de líquidos agressivos, tanto do ponto de vista de recobrimento das armaduras, como de fissuração do concreto. Tendo sido locado o eixo da obra, e dado o início da escavação manual da frente de ataque mostrada na figura 10, a escavação deve ser feita dentro de um perímetro o mais justo possível à circunferência externa do túnel de chapa e com comprimento aproximado de 0,46m. Imediatamente após esta etapa, executa-se a montagem do primeiro anel (Mello, 1998). Figura 10: Frente de Ataque Fonte: Flávio Augusto M. Vieira 19

30 Depois de montado o primeiro anel de emboque conforme figura 11, uma nova série de operação permitirá a montagem do anel seguinte e assim sucessivamente. A escavação prosseguirá e os anéis serão solidarizados nos adjacentes por parafusos e porcas, que devem ser distribuídos ao longo dos flanges laterais dos anéis. As chapas de cada anel são emendadas por transpasse de parafusos e porcas das mesmas dimensões, porém com os pescoços quadrados e providos de arruelas de pressão. Este sistema mantém o parafuso no furo, também quadrado da chapa, para permitir que a porca seja apertada pelo lado interno. Figura 11: Emboque do Túnel Fonte: Flávio Augusto M. Vieira Os únicos vazios permitidos ao longo do túnel serão os devidos a corrugação das chapas. Esses vazios serão preenchidos com solo cimento, através de injeção com pressão de 5 MPa, simultaneamente ao avanço das escavações, a fim de se evitar possíveis recalques. 20

31 Segundo Maffei (1995), este preenchimento deverá ser feito através de furos existentes nas chapas, que são apropriados para a colocação do bico de injeção. O solo-cimento terá o seu traço dosado e deverá ser misturado em equipamento elétrico-mecânico. O material de preenchimento deverá ter as seguintes características: fluidez e razoável resistência à compressão. Sua injeção será feita através de bomba. Durante o preenchimento, deverão ser checados os anéis através da procura de som de oco, que evidencie a existência de vazios. Caso seja constatada a existência de vazios, deverá ser executada uma nova injeção neste local. A declividade e alinhamento definidos em projetos serão controlados através de teodolito ótico ou eletrônico a cada três anéis montados. Os dutos deverão ser secos e limpos após a execução dos serviços N.A.T.M. (New Austrian Tunnelling Method) O método N.A.T.M. é o objeto deste trabalho, sendo concebido através de várias etapas sucessivas e relevantes: Execução de poço com revestimento em concreto projetado Segundo Ferrari (1993), os poços com revestimento em concreto projetado receberão os equipamentos necessários à execução dos túneis em processo não destrutivo pelo método de tubo cravado e ou shield, túnel linner e túnel em N.A.T.M. O processo construtivo consisti em: Para a execução do poço em rua ou avenida, deve-se solicitar a interdição do transito ao órgão de transito local. Deve-se amostrar o concreto projetado 21

32 utilizado na execução do poço através da moldagem de placas, no mínimo a cada 2,40 metros de escavação ou conforme orientação da fiscalização. Durante a concretagem da viga (Colar Superior) deve-se prever a colocação de arranques para fixação de tela com 1,20 metro de altura para projetar o guarda-corpo mostrado na figura 12 e também a colocação de arranques para fixação da tela de armação da parede do poço. Figura 12: Telas e Arranques do Guarda Corpo Fonte: Flávio Augusto M. Vieira Segundo Silva (1997), escavação parcial do poço não poderá ser superior a 1,20 metro de profundidade conforme mostrado na figura 13. Efetuar a primeira etapa do jateamento do concreto conforme espessura definida em projeto. Ainda segundo Silva (1997), as telas são fixadas com grampos de ferro sobre a primeira camada de concreto projetado conforme projeto executivo mostrado na figura 13. Na ocorrência de destacamento do concreto projetado devido à pressão de água proveniente do lençol freático, o 22

33 encarregado ou engenheiro da obra definem a quantidade e posições de drenos, suficientes para a eliminação desta pressão. Figura 13: Escavação e Fixação de Telas de Aço Fonte: Flávio Augusto M. Vieira No jateamento final, aplica-se concreto projetado e as diversas camadas de tela de aço, seguindo-se as especificações de projeto até a espessura final da parede. O poço será executado até a profundidade especificada, seguindo-se as etapas anteriores para cada trecho de 1,20 m. Na última montagem de tela na parede, atingindo-se a cota de projeto, devese executar a colocação de barras de aço para ligação da parede do poço com a laje de fundo, conforme projeto. A laje de fundo deverá ter caixa para alojar bomba submersa, para manter estável o nível de água no poço e será armada conforme projeto executivo conforme figura

34 Figura 14: Armação da Laje de Fundo Fonte: Flavio Augusto M. Vieira Execução do N.A.T.M. Segundo Campanhã (1995), N.A.T.M. (New Austrian Tunnelling Method) é um método de escavação em solo ou rocha que conduz a uma estabilização pelo alívio controlado de pressão. O alívio de tensão é efetuado intencionalmente; os valores das deformações e tensões são rigorosamente medidos e controlados de acordo com as necessidades. O método baseia-se na capacidade de auto sustentação do material circundante à cavidade conforme mostrado na figura 15. A velocidade de avanço da frente de escavação, em função do tipo de solo encontrado, determina a eventual necessidade de escoramento Campanhã (1995). O acompanhamento sistemático das medidas de convergência das seções transversais determina a utilização de escoramento necessários à estabilização de deformações. 24

35 Figura 15: Esquema Construtivo do N.A.T.M. Fonte: Maffei (1995) Segundo Chiossi (1979), a consciência de que o maciço é fundamental como elemento de suporte da cavidade, é um conceito muito importante do N.A.T.M., ou seja, tem capacidade de absorver e redistribuir esforços 25

36 induzidos pelas escavações. Através do consentimento de pequenas deformações nas bordas das escavações, obtém-se um revestimento com capacidade de carga (σr) menor que no caso de não se permitir à deformação. Quanto menor σr, maior a deformação, para um dado tipo de solo. Julga-se apropriado apenas ressaltar que o objetivo é o de explorar a capacidade do maciço como elemento de suporte da cavidade, devendo ser alcançado respeitando os seus limites. Benefícios e limites de mobilização podem ser observados através do método de convergência confinamento. Legenda Pi representa o estado inicial de tensões Pi P1, Pi P2 parcelas absorvidas pelo maciço (alívio). Pi P1 parcela máxima que o maciço pode absorver P1, P2, P3 parcelas do carregamento a serem absorvidas pelo suporte. P1 P2, P1 P3, P2 P3 parcelas de alívio relativo sobre o revestimento, em função do seu instante de instalação, de sua rigidez ou ambos. Pl mínimo carregamento possível a ser absorvido pelo revestimento d1, d2, d3 deformações correspondentes aos pontos de equilíbrio dos revestimentos 1, 2, 3 para a curva característica do maciço em questão. 26

37 D1 máxima deformação onde ainda é possível o equilíbrio sem ruptura do maciço Observando-se a figura, fica evidente que: Deformações e alívios iguais podem ser alcançados com suportes de rigidez diferentes instalados em diferentes instantes como nas curvas 3 e 4 de reação dos suportes; Alívios e deformações diferentes podem ser alcançados com suporte de igual rigidez instalados em tempos diferentes como nas curvas 1 e 2 dos suportes; Alívios e deformações diferentes podem ser atingidos com suportes de rigidez diferentes instalados em instantes iguais, conforme pode ser observado nas curvas 1 e 3 dos suportes. Para assegurar os objetivos, preconiza-se a adoção de medidas e providências que possibilitam: aproveitar ao máximo a capacidade autoportante do maciço, adjacente ao contorno escavado; escavar uma seção arredondada, preferencialmente plena, e parcializando, quando sua estabilidade exigir; aplicar suporte flexível em todo contorno escavado, exceto no piso, quando horizontal e suficiente resistente, antes da desagregação da zona potencialmente plastificável; dimensionar o revestimento final durante a obra, em função do comportamento mecânico da frente de escavação; 27

38 controlar e corrigir o desempenho do maciço e respectivo suporte, com base nos resultados do monitoramento dos deslocamentos do contorno escavado e, eventualmente, da superfície, durante o processo de escavação. Ainda segundo Chiossi (1979), dependendo das dimensões da seção transversal do túnel, será conveniente a divisão da frente de escavação, em uma calota superior de avanço mais rápido e uma bancada com o maior volume de material a ser desmontado conforme figura 16. Figura 16: Escavação em Bancadas Fonte: Flavio Augusto M. Vieira Segundo Iyomassa (1998), para a segurança na execução dos avanços programados, deverão ser executadas sondagens na frente da escavação através de furos horizontais e furos com inclinação ascendente para verificação de eventual existência de água e alteração localizada de solo. Com isso pretende-se que todas as providências sejam tomadas para que os serviços de escavação sejam executados no seco e que a frente tenha estabilidade (Iyomassa, 1998). 28

39 A verificação do alinhamento do túnel será feita periodicamente, à freqüência de um ponto a não mais de 3 metros de avanço. O desvio observado deverá ser imediatamente corrigido para repor o eixo do túnel escavado na posição de eixo teórico, com a tolerância especificada no projeto executivo. Segundo Teixeira (1999), em locais convenientemente escolhidos, será implantada a instrumentação da seção transversal do túnel através da introdução e posterior fixação de pinos que possibilitem medição com uso do medidor de convergência. Essas medições deverão ser executadas diariamente. O concreto deverá resistir aos esforços causados pelas cargas do solo, acrescidos das cargas causadas pelo trânsito de veículos e ser impermeável às infiltrações (Teixeira, 1999).Terá que atender as Normas Técnicas de Estruturas de Concreto Armado para Condução de Líquidos Agressivos, tanto do ponto de vista de recobrimento das armaduras, como de fissuração de concreto. Os poços de acesso deverão ser localizados em pontos convenientes e com dimensões que possibilitem o acesso dos equipamentos, tubulações e permitam o trabalho no túnel de modo compatível com a sua programação de execução conforme mostrado na figura

40 Figura 17: Poço de Serviço Acesso ao túnel em N.A.T.M. Fonte: Flavio Augusto M. Vieira Segundo Silva (1997), visando a preservação da saúde dos mangoteiros, deverá ser prevista pré-umidificação para concreto projetado com aplicação prevista por via seca. Após a aplicação da 1º camada de concreto, nos pontos onde se verificam vazamentos, deverão ser executadas injeções a fim de aumentar a estanqueidade do túnel. O túnel N.A.T.M. deverá ser executado de acordo com as Normas da ABNT no que segue: qualificação de mangoteiros NBR Os avanços usuais da escavação N.A.T.M., nos diversos tipos de solos ou rochas brandas, variam de 0,6 a 1,2 m, rapidamente revestidos por uma camada primária de concreto projetado, para garantir a preservação da resistência do maciço e, conseqüentemente, sua estabilidade (Lopes, 1997). Conforme Amaral Filho (1995), os elementos de suporte são o concreto projetado, tela, cambota e enfilagem. O suporte é uma estrutura provisória, que mantém a abertura estável, ao menos durante o período de execução do revestimento. O concreto projetado tem por fim gerar resistência inicial rápida. A tela tem por função armar o concreto projetado, para suportar tensões secundárias, tais como cisalhamento (para rocha), flexão e tração. 30

41 Pode-se observar no revestimento que a tela fica próxima à superfície, para resistir aos esforços de tração na flexão. A cambota tem por fim gerar um suporte imediato, antes mesmo da projeção do concreto; caso haja flexão, deve resistir aos esforços oriundos desta solicitação, tendo em vista que o concreto projetado tem baixa resistência à flexão. As enfilagens são necessárias quando o stand up time (tempo de auto-sustentação) do solo é pequeno (não possibilitando a escavação sem ruptura de teto/frente). As enfilagens podem ser curtas (chapas onduladas ou dobradas em forma de U) ou longas (injetadas: PVC com manchetes + calda; ou tubular: tubo de aço com manchetes + calda) conforme mostrado na figura 18. Figura 18: Enfilagens Fonte: Flavio Augusto M. Vieira Debereiner (1998) afirma que, dependendo das condições de estabilidade e drenagem vigentes, antes e após aplicação do concreto projetado, outros tipos de suporte complementar poderiam ser utilizados, tais como chumbadores, vergalhões de aço; cravados perimetralmente à escavação; chapas de aço cravadas (marchavantes). As marchavantes têm a finalidade de proteger o próximo lance a ser escavado. Atuam diminuindo o vão de arqueamento, que passa a ser o espaçamento entre as barras. Também 31

42 podem ser utilizados para reforçar o maciço: rebaixamento do N.A., congelamento, injeções químicas. Correa (1992) diz que, o revestimento é a estrutura que mantém a abertura estável durante a vida útil da obra. Serve para aumentar a segurança. Colocado após a estabilização do suporte, tem maior eficácia. Em geral, não há necessidade de se ter altas resistências iniciais (o que até ajuda a aumentar a vida útil da estrutura); a resistência inicial tem que ser a mínima necessária para garantir que o concreto se ligue à superfície. O revestimento tem que atender ao fck e aos parâmetros de durabilidade, além, evidentemente, da espessura. Lunardi (1995), verificou-se que o condicionante geométrico tem sido muitas vezes o fator de definição do método executivo a ser empregado. As parcializações tem resolvido problemas de estabilidade e muitas vezes, eliminando a necessidade de intervenção em estruturas ou utilidades lindeiras. A preocupação com a forma da seção ou de suas parcializações é outra condicionante através da qual busca-se a geometria mais adequada ao seu funcionamento, ou seja, onde os esforços de compressão sejam os predominantes por serem os mais facilmente assimilados pelos suportes normalmente empregados. Segundo Francis (1998), o N.A.T.M. é versátil quanto ao tipo de maciço, bem como quanto à forma e dimensões da seção exigida. Quando a plena seção pode ficar instável, sua escavação pode ser feita por etapas: com arco invertido provisório ou em mais de duas fases, side drifts conforme mostrada na figura

43 Figura 19: Escavação Parcial do Túnel Fonte: Flavio Augusto M. Vieira O túnel deve funcionar como um tubo fechado. Há uma grande preocupação em se adequar o método executivo à realidade do maciço de forma a dinamizar a execução, prevendo-se o fechamento do arco invertido em módulos que minimizem as interrupções dos avanços, sem perdas do nível de segurança do túnel. A ausência ou o fechamento tardio do arco invertido tem provocado acidentes que vão desde deformações excessivas, ou mesmo ao colapso de frente e teto por deficiência da capacidade de suporte de túnel ou perda da estabilidade do maciço mostrado na figura 20. Muitas vezes, o arco invertido que é um fundamental elemento de suporte de túneis em solo, não tem sua real importância, quer no projeto, quer na qualidade executiva: a geometria inadequada, espessuras incorretas, má qualidade do produto aplicado, principalmente quando em concreto projetado e ligação inadequada (Francis, 1998). 33

44 Figura 20: Gráfico de Colapso de Frente Fonte: Site A Seqüência Executiva Consiste em: escavar em seções e alturas pequenas; colocação de cambotas calandradas ou treliçadas (de preferência, pois são mais leves e não têm sombra ) para solos, e tirantes ou chumbadores para rochas; concreto projetado (revestimento primário); colocação de telas, se necessário; passo de avanço limitado a 0,80 m (quase sempre); preservação do núcleo central como berma de equilíbrio; execução do arco invertido provisório, se necessário; escavação do arco invertido definitivo; 34

45 colocação de tela; concreto projetado (revestimento secundário). O número de funcionários e funções para executar um túnel em N.A.T.M. de 70 m de comprimento por 4,0 m de diâmetro segue abaixo: Tabela 1: Equipe de Execução do N.A.T.M. Fonte: Flávio Augusto Moreira Vieira (2003). QTD. FUNÇÃO 01 Engenheiro Civil DESCRIÇÃO Elabora, executa e dirige projetos de Engenharia Civil, estuda características, prepara planos e métodos de trabalho, e demais dados requeridos, para orientar a manutenção e reparo das Obras contratadas, assegurando os padrões técnicos exigidos. 01 Encarregado Organiza e Supervisiona as atividades dos trabalhadores, coordenando e orientando, a execução das tarefas, assegurando o desempenho das atividades, dentro dos prazos e normas estabelecidas. 01 Feitor Auxilia no acompanhamento e desenvolvimento de tarefas nas frentes de trabalho sob a orientação do mestre e encarregado 01 Op. Perfuratriz e Enfilagem 01 Bombista de CP6 Pessoa qualificada para operar a perfuratriz e o processo de enfilagens. Pessoa que controla diretamente da bomba, o fluxo de concreto que é projetado. 35

46 01 Mangoteiro Utiliza-se do mangote para projetar concreto, de acordo com a necessidade da Obra, orientado pelo Encarregado. 04 Ajudantes Auxiliam nas tarefas a serem desenvolvidas e nos trabalhos que se fizerem necessários, conforme as necessidades da Obra sob orientação do Encarregado. 02 Op. De Trabalhador qualificado para operar o martelete Martelete pneumático nas escavações mecânicas 01 Op. De Trabalhador qualificado para operar o a betoneira Betoneira Estacionária estacionária no preparo de concreto seco para a projeção Independentemente do método adotado, deslocamentos sempre ocorrem na periferia da área escavada e quase sempre na superfície do terreno acima das escavações. Segundo Ribeiro Neto (1999), recalques acentuados podem comprometer a segurança e a funcionalidade de edificações, em áreas urbanas densamente ocupadas, sendo crítico o controle de deformações. Este controle pode ser feito com placas para controle dos recalques em superfície, tassômetros (medidores de recalque profundo), quando as coberturas são elevadas, e extensômetros (medidores de convergência internos à escavação). Pinos de recalque também são instalados nas edificações lindeiras para promover o controle das movimentações induzidas pela escavação. Equipamentos eletrônicos, com leitura por raio laser para todas as leituras internas à escavação, vêm sendo utilizados com sucesso. O sistema é denominado Estação Total. As executoras controlam suas escavações através de programas especialmente desenvolvidos para a integração obraprojeto em tempo real (Ribeiro Neto, 1999). 36

47 Além da instrumentação mecânica figura 21, freqüentemente é utilizada a instrumentação hidráulica, que visa monitorar alterações nas condições hidrogeológicas dos maciços. A drenagem induzida pelas escavações deve ser monitorada através de medidas sistemáticas de vazões dos afluxos, variações de N.A e cargas piezométricas em níveis profundos. As condições hidrogeológicas dos maciços a serem atravessados por túneis adutores pressurizados, sujeitos a esgotamento periódicos. Figura 21: Esquema de Instrumentação Mecânica Fonte: Site Devemos estabelecer em projeto, quais os valores bases que devemos adotar, quer os obtidos através dos modelos de cálculo adotados, quer os impostos pelas estruturas ou atividades lindeiras. Segundo Maffei (1995), o estado de alerta significa o intervalo de tempo ou avanço no qual deve-se intensificar as leituras e observar atentamente, a qualidade da execução, pois é nesta fase da execução que as estruturas e o maciço devem apresentar nítidas tendência de estabilização. Dependendo da evolução do processo de estabilização, obtém-se, ou a saída do estado de alerta com a estabilidade da seção, ou passa-se para o estágio que é a emergência. 37

48 O estágio de emergência significa intervalo no qual desenvolve-se o estudo e a tomada de decisão de quais as soluções e os serviços a serem implementados para a correção do problema, a mobilização de materiais e equipamentos e instrução ao pessoal de como intervir no processo. Dentro desta etapa, pode-se ainda, atingir a estabilização e será um indicador de que devemos rever os limites estabelecidos. Se, no entanto, neste intervalo não for observado indício seguro de estabilidade, passa-se ao estágio seguinte que é o da intervenção (já citados alguns itens acima). A forma de intervir deve ser definida levando-se em conta as facilidades executivas e os custos (Maffei, 1995). Segundo Maffei (1995), o crescente aumento de acidentes em obras subterrâneas, principalmente em meios urbanos, fez com que se aumentasse a preocupação mundial com a segurança destas obras. Os túneis executados em N.A.T.M., assim como os executados pelos demais métodos construtivos, requerem o desenvolvimento de considerável habilidade e cuidado em sua investigação, planejamento, projeto, construção e monitoramento para serem implantados com segurança. Independentemente do método de escavação, pode haver colapso. Túneis em N.A.T.M. requerem o desenvolvimento de considerável habilidade e cuidado em sua investigação, planejamento, construção e monitoração, para serem construídos com segurança, mesmo que haja bons sistemas de gerenciamento, treinamento de pessoal, trabalho de supervisão e procedimentos de controle de qualidade, falhas humanas, assim como a erraticidade do maciço, não podem ser eliminadas. Assumindo-se que todos os esforços tenham sido feitos para reduzir os riscos antes que a construção do túnel se inicie, o fator mais importante para manter o nível de risco o mais baixo possível, durante a construção, são os mecanismos de Detecção do Risco e Ação Corretiva, que consistem em detectar rapidamente o desenvolvimento do risco, e eliminá-lo através de 38

49 uma ação corretiva rápida e pontual. Uma detecção rápida é crucial para providenciar tempo suficiente para que seja possível o início de uma ação corretiva, a fim de retornar os níveis de risco para valores aceitáveis. Para a indústria de construção de túneis, há três razões principais para realizar esforços no sentido de reduzir ou, se possível, eliminar rupturas em túneis durante a construção: para prevenir atrasos no prazo final; para evitar disputas relativas a impactos ambientais causados pela ruptura, que resultam em perda adicional de tempo; para ficar dentro do orçamento proposto para o projeto. Não existe obra civil com risco de ruptura nulo. Deve-se observar que, mesmo em projetos de boa qualidade, a possibilidade de comportamento inadequado, e de ocorrência de rupturas ou acidentes irá sempre existir. Segundo Lunardi (1995), o N.A.T.M. apresenta grande vulnerabilidade para falhas humanas. Convém notar o grande número de operações e atividades sucessivas, que devem ser realizadas seqüencialmente pela equipe de construção, de forma nem sempre padronizada, sendo que a monitoração é parte integrante do método. Esta característica do N.A.T.M. é um dos aspectos que explicam a vulnerabilidade a falhas de execução. A grande vantagem do N.A.T.M. é a liberdade de projetar-se seções transversais de grande diâmetro e em formas e seqüências construtivas variadas. Os objetivos primordiais da monitoração de construção de túneis rasos em solo como sendo: 39

50 controlar o comportamento do maciço durante o avanço do túnel, para verificar a condição de segurança dos trabalhos em profundidade e em superfície, e intervir com medidas a apropriadas, tão logo sejam detectadas condições anômalas ou perigosas; permitir uma avaliação mais precisa das características do maciço, através de retro-análises úteis, para a definição de medidas de estabilidade e otimização do projeto das estruturas ainda a serem executadas. A monitoração tem com finalidade complementar o mapeamento geológico, a verificação de conformidades e as demais informações de campo. Ela visa garantir que os recalques e distorções induzidos pela escavação situem-se dentro de limites aceitáveis. Em áreas urbanas, esta limitação de recalques é essencial para evitar danos e edificações próximas ao túnel. A seguir, apresenta-se um resumo dos itens mais significativos sobre acidentes geológicos ou anomalias: Segundo Oliveira (1998), acidentes geológicos não são uma prerrogativa do método de construção usado; eles ocorrem com severidade variada, independente do método de construção, tanto em escavação mecanizada, como N.A.T.M. convencional; Ainda segundo Oliveira (1998), um número pequeno de acidentes geológicos ocorre devido a um encontro inesperado com uma situação hidrogeológicas e/ou geotécnica que é inesperada; A maioria dos acidentes geológicos são causados pelo não reconhecimento antecipado de situações hidrogeológicas e/ou geotécnicas desfavoráveis. 40

51 Este ponto é apoiado pelas seguintes observações relativas à insuficiência dos fatores geológicos: o estudo é dificultado por complexidades geológicas e pela profundidade do túnel; o cliente impõe um limite no orçamento de investigação, sem avaliar o potencial de riscos geológicos residuais; o plano de investigação geológica é estabelecido, independentemente do método de escavação de túneis a ser aplicado; o plano de investigação geológica é geralmente executado em uma única etapa, e uma investigação com mais etapas seria mais informativa; o mapeamento geológico-geotécnico na face de escavação e paredes do túnel, durante o trabalho de construção; são mais freqüentemente escassos e os resultados nem sempre são interpretados corretamente e prontamente; o empreiteiro tende a limitar as pessoas durante a execução da obra, especialmente quando o trabalho de escavação tem que ser interrompido para executá-las; a tarefa do empreiteiro é produzir escavando tão rapidamente quanto possível, para fazer isto, o empreiteiro está pronto para correr riscos, e isto geralmente conduz a uma subestimação dos aspectos de segurança da situação geotécnica e hidrogeológica real; o interesse do proprietário é terminar o trabalho tão rapidamente quanto possível, o que, implicitamente, permite ao empreiteiro correr riscos, reservando-lhe o direito de discutir sobre quem tem que pagar 41

52 pelas conseqüências. É responsabilidade do proprietário assegurar, que a construção não ocorra em condições de risco. Segundo Oliveira (1998), a maior lacuna no conhecimento atual é a probabilidade ou o grau de risco com que uma certa anomalia geológica possa surgir inesperadamente, causando um acidente na passagem da face de escavação do túnel. O projeto não pode ser determinista, mas deve ser desenvolvido considerando-se critérios probabilísticos, levando em conta as incertezas das variáveis relativas aos aspectos geológicos e geotécnicos, as técnicas de construção e as repercussões externas e ambientais Sistema de Suporte Segundo De Mello (1998), os sistemas de suporte destinam-se a conter deformações e deslocamentos do maciço, pela melhoria de suas características de resistência. São ainda utilizados para introduzir um confinamento suplementar, quando a solicitação imposta por uma obra de engenharia ultrapassa a capacidade de auto-suporte do maciço Cambotas Metálicas Segundo Maffei (1995), as cambotas metálicas mostradas na figura 22, são utilizadas como sistemas de suporte em túneis, geralmente quando o tempo de auto-sustentação é muito reduzido. As cambotas são constituídas por elementos metálicos, constituídos em segmentos, aparafusados ou soldados de forma a se amoldarem às paredes de escavação. Apresentam, geralmente, o formato de um arco, acompanhando a abóbada do túnel e as paredes, apoiando-se no piso do túnel. As cambotas escoram, parcialmente, 42