Escavação Mecanizada de Túneis em Rocha com Tunnel Boring Machine (TBM)

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1 Houseman Miguel Arroyo Castro Escavação Mecanizada de Túneis em Rocha com Tunnel Boring Machine (TBM) Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada ao Programa de Pósgraduação em Engenharia Civil da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Sergio Augusto Barreto da Fontoura Rio de Janeiro Fevereiro de 2015

2 Houseman Miguel Arroyo Castro Escavação Mecanizada de Túneis em Rocha com Tunnel Boring Machine (TBM) Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil do Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Prof. Sergio Augusto Barreto da Fontoura Orientador Departamento Engenharia Civil PUC-Rio Prof.ª Anna Laura Lopes da Silva Nunes Universidade Federal do Rio de Janeiro Prof.ª Raquel Quadros Velloso Departamento Engenharia Civil PUC-Rio Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico PUC-Rio Rio de Janeiro, 06 de fevereiro de 2015

3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador. Houseman Miguel Arroyo Castro Graduou-se em Engenharia Civil na Universidade de Costa Rica (UCR) em 2011, com especialidade nas áreas de Estruturas, Geotecnia e Administração da construção. Trabalhou durante dois anos na área privada na Costa Rica, exercendo os cargos de engenheiro de projeto e desenhista em obras de estabilização de encostas na firma Ingeotec S.A, engenheiro desenhista no departamento de infraestrutura civil da firma PIASA Consultores, e como engenheiro de projeto em um complexo habitacional de alto padrão. Atualmente realiza o Mestrado em Engenharia Civil na PUC-Rio com especialização na área de Geotecnia. Castro, Houseman Miguel Arroyo Ficha Catalográfica Escavação mecanizada de túneis em rocha com Tunnel Boring Machine (TBM) / Houseman Miguel Arroyo Castro ; orientador: Sergio Augusto Barreto da Fontoura f. : il. (color.) ; 30 cm Dissertação (mestrado) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, Inclui bibliografia 1. Engenharia civil Teses. 2. Tunnel Boring Machine (TBM). 3. Túneis. 4. Maciços rochosos. 5. Boreability. 6. Ensaios de abrasividade. 7. Taxa de penetração. 8. Taxa de avanço. 9. Métodos de estimativa do desempenho. I. Fontoura, Sergio Augusto Barreto da. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título. CDD: 624

4 Primeiramente a Deus, fonte de tudo o que eu sou. Aos meus amados pais Miguel e Carmen. Aos meus caros irmãos Lorenzo, Bryan e Nolan. Aos meus sobrinhos Donovan, Sebastian e Neythan. Aos meus seres queridos e amigos, companheiros de todas as horas.

5 Agradecimentos Primeiramente agradeço a Deus por esta oportunidade que me concedeu, por seu amor incondicional e pela vida, e por tantas pessoas especiais que tem colocado ao longo do meu caminho. Jesus eu confio em Vos, e este triunfo coloco-o ao teu dispor. Ao meu caro orientador Prof. Sérgio A. B. da Fontoura, por sua valiosa ajuda e orientação na realização deste trabalho, pelos seus ensinamentos e seu vital apoio nas dificuldades. Que Deus lhe abençoe e guie no seu caminho de docente e profissional da engenharia. Aos caros membros da banca examinadora: Prof.ª Anna Laura Nunes, Prof.ª Raquel Velloso e Prof. Alberto Sayão. Muito obrigado pela valiosa participação na avaliação do presente trabalho, e, pela ajuda e correções que permitiram aperfeiçoá-lo ainda mais. Que Deus lhes abençoe sempre. Ao CNPq e à PUC-Rio, pelos auxílios concedidos, sem os quais este trabalho não poderia ter sido realizado. Aos engenheiros Jamal Rostami, Amund Bruland e Arild Palmström, pela ajuda e disposição, e por me facilitarem suas respectivas teses, referentes ao tema de estudo desta dissertação. Aos professores e funcionários do Departamento de Engenharia Civil da PUC- Rio, muito obrigado pelos ensinamentos e ajuda ao longo desta experiência de vida e de formação profissional. Sem vocês este sonho não teria se materializado, que Deus lhes abençoe e guie sempre.

6 Aos meus amados pais Carmen Mayela Castro Cambronero e Miguel Sebastian Arroyo Torres, razão da minha existência. Muito obrigado pela vida, pelo amor e apoio incondicional. Sou grato pelos muitos valores que me transmitiram, em especial por me incentivarem sempre a lutar pelos meus sonhos e dar o meu melhor. Também aos meus amados irmãos Lorenzo, Bryan e Nolan, e, meus três lindos sobrinhos Donovan, Sebastian e Neythan. Amo vocês com todo o meu coração e este triunfo o dedico a todos vocês, minha amada família. À minha cara família brasileira, à família Nazareno de Brito. Muito obrigado pelo apoio e carinho, pelos cuidados e atenções e pelo seu amor. A Rosimeire (Rosita), Rosiane, Rosadilma, Rozania, Rosilma, minhas caras irmãs. Também ao Zé, ao senhor Ilário e meus caros sobrinhos. Muito obrigado por tudo, vocês sempre estarão no meu coração, nos meus pensamentos e nas minhas orações. Às caras irmãs da Assunção e todo o pessoal do CENAM que me acolheram de forma tão carinhosa ao chegar no Brasil. Deus lhes abençoe sempre e que Santa Maria Eugênia continue lhes guiando na extensão do Reino de Deus. Levo vocês no meu coração, pois um sulco ficou marcado em mim com muito amor. À Claudia Dominguez Malpica, muito obrigado pelo amor, apoio, companhia, e, por tantos belos e memoráveis momentos que compartilhamos juntos. À família Sanchez Carvajal, muito obrigado pelo amor e apoio, que Deus lhes abençoe sempre. De maneira especial à Bernardita, José e Suly, muito obrigado por me permitir formar parte da sua família. A todos meus familiares que, desde Costa Rica, me acompanharam e me motivaram a seguir adiante, foram inúmeras as vezes que as palavras de motivação, as ligações de madrugada, e as mostras de amor se tornaram forças para prosseguir. Depois destes anos de muito esforço longe de casa, finalmente conseguimos alcançar este triunfo, que é todo nosso. Aos meus caros amigos e colegas da PUC-Rio por todo seu apoio, pela parceria e ajuda ao longo destes anos. Especialmente aos meus irmãos da comunidade Sinai, em particular a Jimmy Vasquez, muito obrigado pelas orações e companhia na fé e na vida estudantil nestes anos na PUC-Rio. Ao padre Brito e a todos meus caros amigos da paróquia Santa Teresa. Especialmente aos meus amigos do grupo jovem STJ, do grupo jovem da Assunção, e das comunidades dos Prazeres e Nossa Senhora das Graças. À Universidade da Costa Rica (UCR), em especial a escola de Engenharia Civil e aos meus caros professores da graduação, de modo especial ao Prof. Sergio Sáenz, ao Prof. Marco Valverde e ao Prof. William Vargas. Muito obrigado pelos ensinamentos e pelo apoio durante minha formação acadêmica e profissional, e por fomentar meu interesse na área de Geotecnia. A todas as pessoas que de formas variadas me estimularam a seguir adiante, a través de mensagens, palavras de carinho, em fim, gestos simples, porém muito significativos. Muito obrigado, e que Deus lhes abençoe eternamente.

7 Resumo Arroyo Castro, Houseman Miguel; Fontoura, Sergio Augusto Barreto da. Escavação Mecanizada de Túneis em Rocha com Tunnel Boring Machine (TBM). Rio de Janeiro, p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Na atualidade cada vez mais o espaço superficial disponível é limitado por condições próprias do entorno, especialmente nas grandes cidades, de forma que o aproveitamento do espaço subterrâneo não é mais uma alternativa e sim uma necessidade para o crescimento das cidades, para melhorar as condições de vida da população e para minimizar os impactos ambientais dos projetos necessários para estes fins. Neste contexto, a escavação mecanizada de túneis tem-se tornado cada vez mais comum, especialmente em áreas urbanas, onde o uso dos métodos de escavação convencional resulta inadequado. Um aspecto importantíssimo ao avaliar o uso desta tecnologia consiste em prever o desempenho das Tunnel Boring Machines (TBMs) para as condições específicas do projeto, de forma que o cronograma de obra e os custos possam ser estimados com precisão suficiente. Este trabalho expõe inicialmente uma breve resenha da história e evolução das TBMs no mundo. Posteriormente, são discutidos os mecanismos de corte, as características dos cortadores, da máquina TBM e as propriedades da rocha que intervém no desempenho. Também se apresentam os testes mais utilizados para caracterizar projetos executados com esta tecnologia. São expostos alguns dos métodos mais difundidos no mundo para a determinação do desempenho de TBMs. Finalmente, o método desenvolvido na Escola de Minas do Colorado (Colorado School of Mines - CSM) foi incorporado numa planilha de cálculo e foram avaliados dois casos práticos documentados na literatura (com face homogênea) e dez casos sintéticos que incorporam a presença da condição de face mista. Palavras-chave Tunnel Boring Machine (TBM); Túneis; maciços rochosos; boreability; ensaios de abrasividade; taxa de penetração; taxa de avanço; métodos de estimativa do desempenho.

8 Abstract Arroyo Castro, Houseman Miguel; Fontoura, Sergio Augusto Barreto da (Advisor). Mechanical Excavation of Tunnels in Rock with Tunnel Boring Machine (TBM). Rio de Janeiro, p. MSc. Dissertation - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Currently more and more of the surface space is seen limited by specific conditions of the environment, especially in large cities. Due of that, the use of underground space is no longer an alternative but a necessity for the growth of the cities, for the improvement of people's livelihood and to minimize the environmental impacts of the necessary projects for these purposes. In this context, mechanized excavation has become increasingly common, especially in urban areas, where the use of conventional excavation methods is inappropriate. An important aspect to evaluate the use and efficacy of this technology is to predict the performance of TBMs for the specific conditions of a project, so that the work schedule and costs can be estimated with sufficient accuracy. First, in this work, is presented a brief review of the history and evolution of TBMs around the world. Cutting mechanisms and the characteristics of the cutters, the machine and the properties of the rock that influence the performance of a TBM are discussed. Also the most widely used tests for characterizing designs run with this technology are discussed and some of the world's most widespread methods for determining the performance of a TBM are exposed too. Finally, the method developed at the Colorado School of Mines (CSM) was incorporated into a spreadsheet and used to analyze two practical cases documented in the literature (with homogeneous surface) and ten synthetic cases that incorporate the presence of a mixed face condition. Keywords Tunnel boring machine (TBM); Tunnels, rock mass; boreability; abrasion tests; penetration rate; advances rate; performance prediction methods.

9 Sumário 1. Introdução Justificativa O problema em estudo Importância Objetivos Objetivo geral Objetivos específicos Delimitação do problema Alcance Limitações Metodologia Fase Teórica Fase de Modelagem Fase de Análise Antecedentes históricos e aspectos gerais da escavação mecanizada Projetos de túneis escavados com TBM no mundo Obras subterrâneas no Brasil e as máquinas TBM Escavação mecanizada com TBM vs. métodos convencionais Fragmentação da rocha, ferramentas de corte e tipos de TBMs Mecanismos de corte em rocha Ferramentas de corte para rocha Discos de corte Discos undercutting Discos undercutting oscilatórios (ativados) Desgaste e vida útil das ferramentas de corte Ensaios para determinar a abrasividade da rocha e o desgaste das ferramentas de corte Tipos de máquinas TBM TBM Gripper (TBM-G) TBM com shield sem suporte da frente de escavação (TBM-S) 107

10 TBM de shield duplo (Double-shield) TBM-S com lodos para suporte da frente (TBM-S4) TBM-S com balanço de pressão de terras (EPB) para suporte da frente (TBM-S5) TBM de modo conversível Revestimento TBMs e as novas tecnologias Estimativa do desempenho de TBMs: modelos disponíveis para a avaliação do desempenho de TBMs em rocha Penetração, taxa de penetração, taxa de avanço e porcentagem efetiva de utilização de uma máquina TBM Parâmetros que afetam o desempenho de TBMs Propriedades da rocha intacta Propriedades do maciço rochoso Tipo de cortador e geometria de corte Especificações e parâmetros operacionais da TBM Ensaios utilizados para projetos com TBMs Ensaios convencionais Ensaios específicos Modelos disponíveis para a avaliação da penetração e o desempenho de TBMs Modelo do CSM (Colorado School of Mines) ou método das forças Modelo do NTNU (Norwegian University of Science and Technology Trondheim) Modelo baseado no Índice do Maciço Rochoso (Rock Mass Index, RMi) Modelo de Ernst Büchi Modelo da Luleå University of Technology Modelo de Nelson Modelo da Universidade Tecnológica de Delft Sistema Q TBM Modelos numéricos Outros modelos Aplicação do método do CSM para o estudo de dois casos práticos e um caso sintético com face mista Método selecionado para realizar a modelagem 210

11 5.2. Estudo de casos práticos Caso 1: Túnel de metrô Otogar-Bagcilar Caso 2: Túnel de esgoto Tuzla-Dragos Análise de casos sintéticos com face de escavação mista Especificações técnicas da TBM, parâmetros dos materiais e geometria dos casos Modelagem e resultados Análise dos resultados Análise dos casos práticos Análise dos casos sintéticos com face mista Conclusões e recomendações Referências bibliográficas 277

12 Lista de figuras Figura 1-1. Metodologia proposta. 32 Figura 2-1. Shield por M. I. Brunel, 1806 (Maidl et al, 1996). 34 Figura 2-2. Maquete e vista lateral do shield de Brunel (Sánchez, 2013 e Santoyo, 2013). 35 Figura 2-3. Perspectiva do Shield desenhado por Brunel (baseado em Sánchez, 2013). 35 Figura 2-4. Screw Shield (tipo parafuso) por M. I. Brunel, 1806 (Maidl et al., 1996). 36 Figura 2-5. Túnel de Brunel construído sob o Rio Tamisa na década de Londres, UK: a)1995 e b) 1997-Túnel após reabilitação com revestimento interno em concreto moldado (Sauer e Mergelsberg, 2004). 36 Figura 2-6. Máquina tuneladora Mountain Slicer de H.-J. Maus, Túnel Monte Cenis, 1846 (Maidl et al., 2008). 38 Figura 2-7. Primeira TBM de Wilson, Túnel Hoosac, 1853 (Maidl et al., 2008). 39 Figura 2-8. Desenvolvimentos adicionais para TBM por Wilson, U.S. patente No , 1875 (Maidl et al., 2008). 41 Figura 2-9. Máquina de túneis com cabeça de perfuração e braços oscilantes de corte por E. Talbot, U.S. patente No. 9774, 1853 (Maidl et al., 2008). 41 Figura Máquina tuneladora por Cooke e Hunter U.K. patent No. 433, 1866 (Maidl et al., 2008). 42 Figura TBM por Beaumont U.K. patent No. 4166, 1863 (Maidl et al., 2008). 42 Figura TBM por Beaumont/English, ɸ 2.13m, túnel Channel, 1882 (Maidl et al., 2008). 42 Figura Máquina de corte de galeria Eiserner Bergmann 1916/17 de Schmidt, Kranz et al. (Maidl et al., 2008). 43 Figura Construção do túnel do Rio St. Clair, fim do século XIX (Da Cruz, 2006). 43 Figura Máquina de corte de galeria de Schmidt, Kranz et al., ɸ 3 m, 1931 (Maidl et al., 2008). 44 Figura TBM por Whitaker, ɸ 3,6 m, 1922 (Maidl et al., 2008). 44 Figura TBMs de Robbins: a) Primeira TBM Robbins, modelo , Barragem Oahe, ɸ 8 m, 1953 e b) Primeira TBM Gripper moderna von J.S.

13 Robbins, modelo , túnel de esgoto no Rio Humber (Toronto, Canada), ɸ 3,27 m, 1957 (Maidl et al., 2008). 45 Figura Primeiros desenvolvimentos de TBMs na Europa: a) máquina de corte SBM 720 da galeria Wohlmeyer (Ӧsterreichisch Alpine Montan- Gesellschaft), ɸ 3 m, 1958 e b) TBM SVM 40 (Bade) operada na indústria de mineração de carvão, ɸ 4 m, 1961 (Maidl et al., 2008). 46 Figura Tipos especiais de TBM Wirth: a) TBM para galeria inclinada TB II- 300 E, túnel de pressão Emosson, ɸ 3 m, 1968 e b) TBM de alargamento TBE 770/1046 H, túnel Sonnenberg, ɸ 7.70 m/10.46 m, 1969 (Maidl et al., 2008). 47 Figura TBM com shield: a) TBM de shield simples, túnel Gubrist, ɸ 11,50 m, 1980 e b) TBM de shield duplo, túnel de pressão Sila, ɸ 4,32 m, 1972 (Maidl et al., 2008). 48 Figura Inovações futuras (Maidl et al., 2008). 49 Figura Evolução das máquinas TBM utilizadas no Brasil (Rocha, 2012). 54 Figura Revestimento de aduelas de concreto pré-moldadas. Túnel do metrô Linha 4 amarela, São Paulo (Palma et al., 2014). 54 Figura TBM Anita, primeira TBM de shield duplo para rocha utilizada no Brasil (Rocha, 2012). 55 Figura TBM Robbins para Linha 3 leste do metrô de Fortaleza, Ceará (Palma et al., 2014). 56 Figura Relação entre o custo total dos diferentes métodos de escavação e a extensão do túnel (Palma et al., 2014). 60 Figura Relação entre o custo unitário e a extensão do túnel para escavação mecanizada e o método tradicional (modificado de Sauer e Mergelsberg, 2004). 60 Figura Comparação hipotética segundo Barton do método D&B vs. escavação com TBM (Nord, 2006). 61 Figura 3-1. Penetração (i 0 ) e indentação (i p ) de um disco de corte (Bruland, 2000). 62 Figura 3-2. Efeito de corte de um bit de arraste, a) afiado b) com desgaste (Ramezanzadeh e Hood, 2010). 64 Figura 3-3. Anel de corte: a) seção de cunha ou perfil V e b) de seção constante ou CCS (Bruland, 2000). 65 Figura 3-4. Mecanismo de fragmentação e desenvolvimento de uma zona esmagada e trincada sob um disco de corte (Cho et al., 2010). 66

14 Figura 3-5. Arranjo dos discos cortadores na cabeça de corte e sulcos de corte (Wittke et al., 2007). 67 Figura 3-6. Frente de escavação e sulcos de corte dos discos na frente de escavação temporal, Túnel Freudenstein, Alemanha (1991) (Wittke et al., 2007). 68 Figura 3-7. Principio do fenômeno de chipping entre discos vizinhos (Bruland, 2000). 68 Figura 3-8. Processo de corte de uma TBM (Heiniö, 1999). 69 Figura 3-9. Chip formado por três passadas de um disco de corte: 1) Extensão da fratura após a 1ra passada; 2) Após 2da; 3) Fratura completa, e desprendimento do chip após a 3ra passada (Bruland, 2000). 70 Figura Seções transversais de fragmentos coletados durante um ensaio de penetração (Bruland, 2000). 71 Figura Fragmentação (Chipping) completa entre dois cortadores. (Bruland, 2000). 72 Figura Fragmentação consecutiva entre dois cortadores (Bruland, 2000). 72 Figura Curvas granulométricas normalizadas para TBMs de duas gerações distintas (Bruland, 2000). 73 Figura Energia específica durante um ensaio de penetração. (Bruland, 2000). 73 Figura Curva típica da relação S/P vs. Energia especifica (Cigla e Ozdemir, 2000). 74 Figura Efeito da razão s/p na eficiência de corte. 74 Figura Variação das forças de corte com a penetração (modificado de Gertsch et al., 2002). 75 Figura Efeito do espaçamento nas forças de corte (modificado de Rostami, 1997). 75 Figura Disco de corte simples com anel de aço (Bruland, 2000). 77 Figura Forças direcionais de corte (Cho et al., 2010). 77 Figura Variação geral das forças normal (F n ) e de rolamento (F r ) nos cortadores em função da penetração para rochas de resistência baixa e alta (Wittke et al., 2007). 78 Figura Penetração como função da força de corte (F c ) e a resistência à compressão simples (σ c ) da rocha (Girmscheid, 2005 citado por Wittke et al., 2007). 78 Figura Penetração como função da força de corte e o espaçamento entre

15 sulcos e o desgaste dos discos para um quartzito, Grupo Wirth, Alemanha (Wittke et al., 2007). 79 Figura Força de corte F C em função do diâmetro do disco, Grupo Wirth, Alemanha (Wittke et al., 2007). 80 Figura Volumem de uso do anel de corte: 432 mm (17 ) vs. 483 mm (19 ) (Roby et al., 2008). 83 Figura Exemplo do fenômeno wipeout (Roby et al., 2008). 83 Figura Volume de uso do anel de corte: 483 mm (19 ) vs. 500mm mm (20 ) (Roby et al., 2008). 85 Figura Fragmentação de rocha usando a técnica de undercutting. (Wittke et al., 2007). 86 Figura Gradação do material escavado em função do tipo de técnica de corte utilizada (Wittke et al., 2007). 87 Figura Cabeça de corte da TBE 500 Wirth (Tunnel Boring Extender) e frente do túnel e discos undercutting (Ramezanzadeh e Hood, 2010). 88 Figura Disco de corte undercutting oscilatório ou ativado (Ramezanzadeh e Hood, 2010). 88 Figura Forças de corte medidas em mármore mostrando a influência da oscilação e frequência dos cortadores (Ramezanzadeh e Hood, 2010). 90 Figura Diferentes formações na face de escavação (condição de face mista) (Wittke et al., 2007). 91 Figura Danos nos discos de corte por sobre-esforço sob condições de face mista (Wittke et al., 2007). 91 Figura Relação entre a vida (m 3 ) dos discos de 432 mm (17 ) a UCS e o CAI (Wittke et al., 2007). 93 Figura Aparato tipo West para determinação do CAI (Wittke et al., 2007). 95 Figura Teste CAI (West, 1989): a) pino de aço antes do teste e b) espessura (d c ) do pino de aço após o teste (Wittke et al., 2007). 95 Figura Valores do CAI para distintos tipos de rochas intactas Büchi (1984) (Wittke et al., 2007). 96 Figura Esquema geral do aparelho utilizado no teste para determinar AV e AVS (Dahl et al., 2011). 98 Figura Valores do AV para algumas rochas (Dahl et al., 2011). 100 Figura Valores do AVS para algumas rochas (Dahl et al., 2011). 100 Figura Classificação de máquinas tuneladoras de seção plena (modificado de Wittke et al., 2007). 101

16 Figura Classificação do Shield híbrido (Zhao, 2012). 102 Figura TBM Gripper, (TBM-G) (Wittke et al., 2007). 103 Figura Componentes de uma TBM Gripper com shield parcial (TBM-G-S) com sistema simples de pinças, Herrenknecht (Wittke et al., 2007). 103 Figura TBM Gripper com sistema de pinças simples, Robbins (Wittke et al., 2007). 104 Figura TBM Gripper com shield parcial (TBM-G-S), sistema de pinças duplo e travamentos, Wirth (Wittke et al., 2007). 104 Figura Ciclo de corte de uma TBM Gripper: a) fase de avanço, extensão das pinças, recolhimento da pata posterior e b) reposicionamento do conjunto de pinças, pinças retraídas, pata posterior estendida (Wittke et al., 2007). 105 Figura TBM com shield, TBM-S (Wittke et al., 2007). 108 Figura TMB-S Túnel Adler, Suíça (Wittke et al., 2007). 108 Figura Ciclo de corte de uma TBM com shield simples: a) fase de avanço e b) Instalação do segmento do revestimento (Wittke et al., 2007). 109 Figura Perfuradoras de avanço para instalação de tirantes e exploração: a) arranjo potencial das perfurações; b) abertura no shield e c) equipamento de perfuração (Wittke et al., 2007). 109 Figura TMB Wirth de shield duplo, projeto Lesotho, Alemanha (Wittke et al., 2007). 110 Figura Ciclo de corte de uma TBM com shield duplo: a) avanço e instalação do segmento do revestimento e b) empuxo para frente do shield cauda com as pinças retraídas (Wittke et al., 2007). 111 Figura TBM-S com lodos para suporte da frente, TBM-S4 (Wittke et al., 2007). 112 Figura Princípio do suporte do Shield de lodos na frente de escavação (Wittke et al., 2007). 113 Figura Cabeça de corte da TBM-S4 utilizada no trem metropolitano subterrâneo em Muhlheim, Alemanha (Wittke et al., 2007). 114 Figura Faixa de aplicação da SM-V4 em solo (Wittke et al., 2007). 114 Figura TBM-S5 Túnel Katzenberg, Alemanha (Wittke et al., 2007). 115 Figura TBM-S com suporte de frente EPB, TBM-S5 (Wittke et al., 2007). 116 Figura Princípio do suporte de frente EPB (TBM-S5) (Wittke et al., 2007). 116

17 Figura Gama de aplicação de uma SM-V5 (Wittke et al., 2007). 117 Figura Cabeça de corte da TBM Herrenknecht de Shield misto (Mix Shield), projeto Socatop, Paris (Wittke et al., 2007). 119 Figura As TBMs e os tipos de revestimento (Wittke et al., 2007). 120 Figura Revestimento com segmentos de bloco (Wittke et al., 2007). 121 Figura Conicidade dos anéis segmentares: a) Tipos de anéis; b) relação entre a conicidade e o raio mínimo de curvatura do túnel (Wittke et al., 2007). 122 Figura Representação esquemática do arranjo de anéis cônicos direitos e esquerdo: a) representação tridimensional; b) planta e c) lateral (Wittke et al., 2007). 122 Figura TBMs de seção tripla: a) vista frontal e b) primeira TBM Tri-face do mundo utilizada no metrô de Osaka (Hitachi) (Zhao, 2012 e Figura Esquema de uma TBM de seção retangular (Zhao, 2012). 124 Figura 4-1. Desempenho bruto (I G ) como função do nível de utilização (U%) (Wittke et al., 2007). 128 Figura 4-2. Exemplos do tempo necessário para diferentes atividades em escavação com TBMs relacionado ao tempo de funcionamento: a) TBM-G em gnaisse; b) TBM-G em arenito e marga (marl); c) TBM-G; d) TBM-G; e) TBM-S em molasse e f) TBM-S4 em argilito e arenito (Wittke et al., 2007). 129 Figura 4-3. Influência do tipo de suporte utilizado sobre o desempenho bruto de uma TBM-G (Schmid, 2004 citado por Wittke et al., 2007). 130 Figura 4-4. Cronograma e desempenho da TBM utilizada no Túnel Adler, Suíça (Wittke et al., 2007). 130 Figura 4-5. Desempenho bruto e líquido obtido com uma TBM-S (Wittke et al., 2007). 131 Figura 4-6. Cálculo do tempo para reparo e manutenção da TBM (T TBM ), do backup (T bak ) e tempo adicional para outras atividades (T a ) em função da taxa líquida de penetração (modificado de Bruland, 2000). 134 Figura 4-7. Tempo semanal disponível (T e ) em função do tempo total semanal (T u ) (Bruland, 2000). 135 Figura 4-8. Influência da orientação da xistosidade sobre a penetração, (Buchi, 1984): a) O ângulo entre o eixo da galeria de acesso e o plano da xistosidade (S) e b) penetração (p) como uma função de ɛ (Wittke et al,

18 2007). 140 Figura 4-9. Influência do espaçamento (d) das descontinuidades paralelas por acamamento sobre a penetração (p) durante a escavação com TBM (Gehring, 1997 citado por Wittke et al, 2007). 140 Figura Aparato do teste de penetração Punch (Punch penetration test) e preparação da amostra (modificado de Ozdemir e Nilsen, 1999). 146 Figura Esquema do teste do Valor de fragilidade da rocha (Brittleness Value, S 20 ) (Dahl et al., 2011). 147 Figura Valores do S 20 para algumas rochas (Dahl et al., 2011). 148 Figura Esquema geral do aparelho utilizado no teste para determinar o SJ (Dahl et al., 2011). 149 Figura Valores do SJ para algumas rochas (Dahl et al., 2011). 150 Figura Gráfico para a determinação do DRI (Bruland, 2000). 151 Figura Gráfico para a determinação do BWI (Bruland, 2000). 151 Figura Máquina de corte linear (LCM) e as unidades de suporte (Cho et al., 2010). 153 Figura Imagens de alta definição do fenômeno de Chipping durante um ensaio de corte linear LCT, Linear Cutting Test (Cho et al., 2010). 154 Figura Máquina de corte rotativa (Rotary Cutting Machine, RCM) do CSM (modificado de Ozdemir e Nilsen, 1999). 155 Figura Seção transversal da área de contato entre o disco de corte e a rocha e a condição de carregamento (baseado em Rostami, 1997). 160 Figura Fluxograma de aplicação do modelo do CSM a partir do layout da cabeça de corte (baseado em Rostami, 2015). 164 Figura Fator de ajuste da fragilidade da rocha no modelo MCSM (modificado de Yagiz et al., 2010). 166 Figura Fator de ajuste para propriedades do maciço rochoso no modelo MCSM (modificado de Yagiz et al., 2010). 166 Figura Forma geral de uma curva de penetração (modificado de Bruland, 2000). 167 Figura Gráficos de alguns ensaios de penetração (modificado de Bruland, 2000) Figura Grau de fraturamento de alguns tipos de rocha (Bruland, 2000). 171 Figura DRI de alguns tipos de rocha (Bruland, 2000). 172 Figura CLI de alguns tipos de rocha (Bruland, 2000). 172

19 Figura Empuxo médio bruto máximo recomendado. (modificado de Bruland, 2000). 174 Figura Velocidade de giro da cabeça de corte (RPM) (modificado de Bruland, 2000). 174 Figura Quantidade padrão de cortadores na cabeça de corte (modificado de Bruland, 2000). 175 Figura Potência instalada na cabeça de corte (modificado de Bruland, 2000). 175 Figura Empuxo crítico (M 1 ) em função do fator equivalente da fratura (modificado de Bruland, 2000). 176 Figura Coeficiente de penetração (b) em função do fator equivalente da fratura (modificado de Bruland, 2000). 176 Figura Fator de fraturamento e fator de correção para DRI 50 (modificado de Bruland, 2000). 178 Figura Influência da porosidade no fator de fraturamento equivalente do maciço rochoso (modificado de Bruland, 2000). 179 Figura Penetração básica (i 0 ) para diâmetro do disco (d c ) de 483 mm e separação entre cortadores (a c ) de 70 mm como função do empuxo equivalente (M ekv ) e do fator de fraturamento equivalente do maciço rochoso (k ekv ) (modificado de Bruland, 2000). 179 Figura Fator de correção para o diâmetro do cortador, d c 483 mm (modificado de Bruland, 2000). 180 Figura Fator de correção para o espaçamento entre cortadores, a c 70 mm (modificado de Bruland, 2000). 180 Figura Vida útil média (H 0 ) dos anéis do corte em função do Índice de Vida dos Cortadores (CLI) (baseado em Bruland, 2000). 181 Figura Fator de correção para o diâmetro da TBM (baseado em Bruland, 2000). 182 Figura Quantidade padrão de cortadores, N 0 (baseado em Fullprof, 2000). 183 Figura Fator de correção do conteúdo de quartzo (baseado em Bruland, 2000). 183 Figura Progresso e taxa de penetração através de uma junta persistente simples ou MSJ: a) descrição geral da geometria e b) vista 3D (baseado em Bruland, 2000). 185 Figura Principais aspectos do RMi (Palmström, 1995). 186

20 Figura Esquema do Rock Mass index, RMi (Palmström, 1995). 187 Figura Agregado de blocos delineados por juntas indicando os parâmetros selecionados para uma caraterização geral do maciço rochoso (Palmström, 1995). 187 Figura Diagrama para determinar o parâmetro das fraturas (JP) a partir do fator de condição das fraturas (jc) e outras medições da densidade de fraturas (V b, J v, RQD). (Palmström, 1995). 189 Figura Esquema do método para estimar a penetração de uma TBM usando os parâmetros do RMi baseado no modelo do NTNU (Palmström, 1995). 190 Figura Comparação entre a taxa de avanço in situ e as calculadas utilizando o modelo do NTNU e o RMi. (Palmström, 1995). 194 Figura Relação entre a força de corte e a velocidade de penetração (Miranda et al., 2011). 201 Figura Esquema da variação da taxa de penetração (PR) e a taxa de avanço (AR) com o valor de Q (Miranda et al., 2011). 202 Figura Variação da PR e AR com o valor de Q TBM (Miranda et al., 2011). 202 Figura Variação de m com o valor de Q (Miranda et al., 2011). 204 Figura Variação de AR com a unidade de tempo considerada (Miranda et al., 2011). 205 Figura 5-1. Sistema cartesiano de coordenadas globais e ângulo de rotação da cabeça de corte (Ψ). 211 Figura 5-2. Tipo de rocha (R i ) e inclinação (α i ) das camadas. 212 Figura 5-3. Espessura (e) central das camadas de rocha e posição angular (R i, Ψ i ) dos cortadores. 212 Figura 5-4. Módulo de introdução das informações gerais do projeto, das especificações técnicas da TBM e das ferramentas de corte. 213 Figura 5-5. Definição do perfil angular, do perfil radial e do perfil lateral da cabeça de corte da TBM. 213 Figura 5-6. Determinação da posição angular (referente ao giro) e cartesiana dos cortadores, da penetração e do tipo de material onde estes se localizam. 213 Figura 5-7. Layout da cabeça de corte: vista frontal (esquerda) e perfil lateral (direita). 214 Figura 5-8. Módulo de entrada de dados para a estimativa das forças de corte.

21 214 Figura 5-9. Módulo de resultados, cálculo da taxa de penetração e avanço e verificação dos limites estabelecidos. 215 Figura Módulo de cálculo das forças de corte e as componentes cartesianas. 215 Figura Módulo de cálculo das componentes cartesianas dos momentos.215 Figura Módulo de cálculo da vida útil dos cortadores e a utilização da TBM (U%) segundo o modelo do NTNU. 216 Figura Traçado geral do Túnel de metrô Otogar-Bagcilar (Balci et al., 2009). 217 Figura Máquina e bloco de rocha usado nos testes (Balci et al., 2009). 218 Figura Relação entre a razão espaçamento/penetração (s/d) e a energia específica para calcário para um espaçamento entre cortes de 75 mm (Balci et al., 2009). 218 Figura Relação entre a profundidade de penetração (d), as forças de corte e a energia especifica para corte em calcário em modo de interação (relieved mode) e espaçamento entre cortes de 75 mm (Balci et al., 2009). 219 Figura TBM Lovat: a) layout e b) in situ (Balci et al., 2009). 221 Figura Layout da TBM Lovat no modelo em Excel (baseado em Balci et al., 2009). 224 Figura Capacidade utilizada em relação a um 90% de eficiência global da TBM. 226 Figura Forças resultantes ao longo de uma revolução. 226 Figura Momentos resultantes ao longo de uma revolução. 227 Figura Planta do projeto Túnel Tuzla-Dragos (Bilgin et al., 1999). 228 Figura Perfil dos discos usados nos testes (Bilgin et al., 1999). 229 Figura Relação entre as forças de corte e a penetração (Bilgin et al., 1999). 229 Figura Relação entre a força de empuxo e a penetração (Bilgin et al., 1999). 230 Figura Relação entre a energia específica e a relação s/d (Bilgin et al., 1999). 230 Figura Configuração da TBM Robbins (Bilgin et al., 1999). 232 Figura Layout da TBM no modelo em Excel (baseado em Bilgin et al., 1999). 234

22 Figura Capacidade utilizada a 90% de eficiência global. 236 Figura Forças resultantes ao longo de uma revolução. 237 Figura Momentos resultantes ao longo de uma revolução. 237 Figura Layout da TBM utilizada no modelo em Excel. 238 Figura Configuração dos casos de estudo. 240 Figura Níveis utilizados da TBM no caso Figura Forças de corte resultantes para o caso Figura Momentos resultantes para o caso Figura Cálculo da Utilização da TBM para o caso Figura Cálculo da Utilização da TBM para o caso Figura Cálculo da Utilização da TBM para o caso Figura Relação entre a penetração e a UCS e BTS para os casos 1, 2 e Figura Taxa de penetração (I N ) e de avanço (I G ) vs. a Utilização (U%) da TBM. 247 Figura Níveis utilizados da máquina TBM para o caso Figura Distribuição dos cortadores para o caso Figura Forças resultantes para o caso Figura Momentos resultantes para o caso Figura Níveis utilizados da máquina TBM para o caso Figura Distribuição dos cortadores para o caso Figura Forças resultantes para o caso Figura Momentos resultantes para o caso Figura Níveis utilizados da máquina TBM para o caso Figura Distribuição dos cortadores para o caso Figura Forças resultantes para o caso Figura Momentos resultantes para o caso Figura Níveis utilizados da máquina TBM para o caso Figura Distribuição dos cortadores para o caso Figura Forças resultantes para o caso Figura Momentos resultantes para o caso Figura Níveis utilizados da máquina TBM para o caso Figura Distribuição dos cortadores para o caso Figura Forças resultantes para o caso Figura Momentos resultantes para o caso Figura Níveis utilizados da máquina para o caso

23 Figura Distribuição dos cortadores para o caso Figura Forças resultantes para o caso Figura Momentos resultantes para o caso Figura Níveis utilizados da máquina TBM para o caso Figura Distribuição dos cortadores para o caso Figura Forças resultantes para o caso Figura Momentos resultantes para o caso Figura Posição angular da TBM associada à penetração máxima do caso Figura Posição angular da TBM associada à penetração máxima no caso Figura Posição angular da TBM associada à penetração máxima no caso Figura Posição angular da TBM associada à penetração máxima no caso Figura Posição angular da TBM associada à penetração máxima no caso Figura Posição angular da TBM associada à penetração máxima no caso Figura Posição angular da TBM associada à penetração máxima no caso Figura Comparação entre o Empuxo Total medido in situ e o valor estimado com o modelo do CSM no caso do Túnel Otogar-Bagcilar. 261 Figura Comparação entre o Torque medido in situ e o valor estimado com o modelo do CSM no caso do Túnel Otogar-Bagcilar 262 Figura Taxa de corte líquida (ICR), Túnel Tuzla-Dragos. 263 Figura Força de empuxo (F T ), Túnel Tuzla-Dragos. 263 Figura Número de discos de corte na rocha 1 (R 1 ). 267 Figura Número de discos de corte na rocha 2 (R 2 ). 267 Figura Componente F x da força resultante. 268 Figura Componente F y da força resultante. 268 Figura Componente F z (Empuxo total) da força resultante. 269 Figura Componente M x do momento resultante. 269 Figura Componente M y do momento resultante. 269 Figura Componente M z (Torque total) do momento resultante. 270

24 Lista de tabelas Tabela 2-1. Túneis terminados e em execução na Cordilheira dos Andes sul americana (Palma et al., 2014). 53 Tabela 2-2. Vantagens da escavação com TBM (Tarkoy, 1995). 59 Tabela 3-1. Evolução dos discos de corte (Roby et al., 2008). 80 Tabela 3-2. Desenvolvimento da tecnologia de ferramentas de corte (Zhao e Gong, 2006). 81 Tabela 3-3. Melhorias no aro, disco de 483 mm (19 ) (Roby et al., 2008). 84 Tabela 3-4. Comparação das forças de corte-corte convencional, undercutting sem oscilação e oscilatório a 35 Hz (Ramezanzadeh e Hood, 2010). 89 Tabela 3-5. Classificação da abrasividade em função do CAI (Wittke et al., 2007). 96 Tabela 3-6. Classificação do nível de desgaste e o coeficiente de uso C p (Wittke et al., 2007). 97 Tabela 3-7. Classificação da abrasão da rocha ou da habilidade para induzir desgaste em carboneto de tungstênio (AV) (Dahl et al. 2011). 99 Tabela 3-8. Classificação da abrasão da rocha ou da habilidade para induzir desgaste em cortadores de aço (AVS) (Dahl et al., 2011). 99 Tabela 4-1. Classificação da fragilidade da rocha ou da habilidade da rocha de ser fragmentada por impactos repetidos (Dahl et al., 2011). 148 Tabela 4-2. Classificação da dureza da superfície ou da resistência à indentação (Dahl et al., 2011). 150 Tabela 4-3. Categorias para os índices DRI, BWI e CLI (Bruland, 2000). 152 Tabela 4-4. Normas disponíveis, métodos sugeridos e descrições para testes em rocha para projetos com TBM (Ozdemir e Nilsen, 1999). 156 Tabela 4-5. Parâmetros do maciço rochoso e da TBM no modelo do NTNU (Bruland, 2000). 169 Tabela 4-6. Parâmetros da rocha e da TBM que influenciam o uso e consumo das ferramentas de corte (Bruland, 2000). 170 Tabela 4-7. Classes de fraturas com o espaçamento entre planos de fraqueza (Bruland, 2000 e Palmström, 1995). 171 Tabela 4-8. Fator de forma do bloco utilizado para determinar o volume a partir do espaçamento dado no sistema de classificação das descontinuidades do NTNU (Palmström, 1995). 190

25 Tabela 4-9. Fator de orientação das descontinuidades (c 0 ) com referência ao eixo de avanço da TBM (Palmström, 1995). 191 Tabela Fórmulas para estimar a penetração, desenvolvidas nos últimos 40 anos (Letner e Schneider, 2003). 207 Tabela 5-1. Propriedades físicas e mecânicas do calcário fossilizado (Balci et al., 2009). 218 Tabela 5-2. Especificações técnicas da TBM Lovat (Balci et al., 2009). 222 Tabela 5-3. Características do material no modelo em Excel. 222 Tabela 5-4. Perfil estimado da cabeça de corte da TBM Lovat (baseado em Balci et al., 2009). 223 Tabela 5-5. Especificações técnicas da TBM e dos discos de corte. 225 Tabela 5-6. Determinação do desempenho da TBM Lovat. 225 Tabela 5-7. Comparação dos dados de desempenho in situ e os estimados com o modelo do CSM para a TBM Lovat (modificado de Balci et al., 2009). 227 Tabela 5-8. Resumo dos resultados dos testes (Bilgin et al., 1999). 230 Tabela 5-9. Especificações técnicas da TBM Robbins /E1080 (Bilgin et al., 1999). 232 Tabela Perfil estimado da cabeça de corte da TBM Robbins. 233 Tabela Especificações técnicas da TBM e dos discos de corte. 235 Tabela Determinação do desempenho da TBM Robbins. 236 Tabela Desempenho medido in situ, e valores estimados com o teste de corte linear (LCT) e o modelo do CSM (baseado em Bilgin et al., 1999). 237 Tabela Especificações técnicas da TBM e dos discos de corte. 239 Tabela Parâmetros dos materiais utilizados na modelagem (baseado em Yarali e Soyer, 2013). 240 Tabela Resumo dos resultados obtidos com o método do CSM. 242 Tabela Cálculo da duração dos cortadores caso Tabela Cálculo da duração dos cortadores caso Tabela Cálculo da duração dos cortadores caso Tabela Teste-t para a taxa de corte líquida (ICR) medida em campo e a estimada com o modelo do CSM para o Túnel Tuzla Dragos. 264 Tabela Teste-t para a força de corte (F T ) medida em campo e a estimada com o modelo do CSM para o Túnel Tuzla Dragos. 265 Tabela 6-1. Comparação dos resultados da modelagem dos casos práticos. 273 Tabela 6-2. Resumo de resultados dos casos práticos obtidos com o CSM. 273

26 "Nothing has been more difficult than evaluating the rock mass characteristics and applying the evaluation to a formula predicting penetration rate." (Nada tem sido mais difícil do que avaliar as características de um maciço rochoso e aplicá-las na avaliação de uma fórmula para prever a taxa de penetração) Richard Robbins (1980)