Técnicas de tunelamento
Sistema básico de tunelamento
Os túneis são geralmente agrupados em quatro grandes categorias, dependendo do material por onde passam: solo macio, constituído de solo e rocha muito fraca; Rochedo duro; rocha macia, como xisto, giz e arenito friável; e subaquático. Embora esses quatro amplos tipos de condição do solo exijam métodos muito diferentes de escavação e suporte do solo, quase todas as operações de escavação de túneis envolvem certos procedimentos básicos: investigação, escavação e transporte de materiais, suporte do solo e controle ambiental. Da mesma forma, túneis para projetos de mineração e engenharia civil compartilham os procedimentos básicos, mas diferem muito na abordagem do projeto em relação à permanência, devido aos seus propósitos diferentes. Muitos túneis de mineração foram planejados apenas para uso temporário de custo mínimo durante a extração de minério, embora o desejo crescente dos proprietários de superfície por proteção legal contra o colapso do túnel subsequente possa fazer com que isso mude. Por outro lado, a maioria dos túneis de engenharia civil ou obras públicas envolvem ocupação humana contínua, além de proteção total de adjacente proprietários e são projetados de forma muito mais conservadora para segurança permanente. Em todos os túneis, as condições geológicas desempenham um papel dominante em governar a aceitabilidade dos métodos de construção e a praticidade de diferentes projetos. Na verdade, a história de túneis está repleta de casos em que um encontro repentino com condições inesperadas causou longas paralisações para mudanças nos métodos de construção, no projeto ou em ambos, resultando em grandes aumentos de custo e tempo. No túnel Awali no Líbano em 1960, por exemplo, um enorme fluxo de água e areia encheu mais de 2 milhas do furo e mais do que dobrou o tempo de construção para oito anos em seu comprimento de 16 milhas.
Investigação geológica
Uma análise geológica completa é essencial para avaliar os riscos relativos de diferentes locais e para reduzir as incertezas das condições do solo e da água no local escolhido. Além dos tipos de solo e rocha, os principais fatores incluem os defeitos iniciais que controlam o comportamento da massa rochosa; tamanho do bloco de rocha entre as juntas; camadas e zonas fracas, incluindo falhas, zonas de cisalhamento e áreas alteradas enfraquecidas por intemperismo ou ação térmica; águas subterrâneas, incluindo padrão de fluxo e pressão; além de vários perigos especiais, como calor, gás e risco de terremoto. Para regiões montanhosas, o grande custo e o longo tempo necessários para perfurações profundas geralmente limitam seu número; mas muito pode ser aprendido com levantamentos aéreos e de superfície completos, além de registro de poços e técnicas geofísicas desenvolvidas na indústria do petróleo. Freqüentemente, o problema é abordado com flexibilidade para mudanças no projeto e nos métodos de construção e com exploração contínua à frente da face do túnel, feita em túneis mais antigos pela mineração de um furo piloto à frente e agora por perfuração. Os engenheiros japoneses foram os pioneiros em métodos para pré-localizar rochas e condições de água problemáticas.
Para grandes câmaras de rocha e também túneis particularmente grandes, os problemas aumentam tão rapidamente com o aumento do tamanho da abertura que a geologia adversa pode tornar o projeto impraticável ou, pelo menos, tremendamente caro. Assim, as áreas de abertura concentradas desses projetos são invariavelmente investigadas durante a fase de projeto por uma série de pequenos túneis exploratórios chamados drifts, que também fornecem testes de campo no local para investigar propriedades de engenharia do maciço rochoso e muitas vezes podem ser localizados de modo que seus o alargamento posterior permite o acesso à construção.
Como os túneis rasos são mais frequentemente em solo macio, as perfurações se tornam mais práticas. Conseqüentemente, a maioria dos metrôs envolve perfurações em intervalos de 100–500 pés para observar o lençol freático e obter amostras não perturbadas para testar a resistência, permeabilidade e outras propriedades de engenharia do solo. Portais de túneis de rocha geralmente estão no solo ou em rochas enfraquecidas pelo intemperismo. Por serem rasos, eles são prontamente investigados por perfurações, mas, infelizmente, os problemas de portal frequentemente são tratados com leviandade. Freqüentemente, eles são explorados apenas marginalmente ou o projeto é deixado para o empreiteiro, com o resultado de uma alta porcentagem de túneis, especialmente nos Estados Unidos, apresentarem falhas de portal. A falha em localizar vales enterrados também causou uma série de surpresas caras. O Túnel Oso de cinco milhas no Novo México oferece um exemplo. Lá, em 1967, uma toupeira havia começado a progredir bem no xisto duro, até que 300 metros do portal atingiu um vale enterrado cheio de areia e cascalho contendo água, que enterrou a toupeira. Após seis meses de atraso para a mineração manual, a toupeira foi reparada e logo estabeleceu novos recordes mundiais de taxa de avanço - uma média de 240 pés por dia com um máximo de 420 pés por dia.
Escavação e manuseio de materiais
A escavação do solo dentro do furo do túnel pode ser semicontínua, como por ferramentas elétricas manuais ou máquina de mineração, ou cíclica, como por métodos de perfuração e detonação de rocha mais dura. Aqui, cada ciclo envolve perfuração, carregamento de explosivos, detonação, ventilação de fumos e escavação da rocha explodida (chamada de mucking). Normalmente, o mucker é um tipo de carregador frontal que move a rocha quebrada para uma esteira transportadora que a despeja em um sistema de transporte de carros ou caminhões. Como todas as operações estão concentradas no cabeçalho, o congestionamento é crônico e muita engenhosidade foi investida no projeto de equipamentos capazes de funcionar em um pequeno espaço. Uma vez que o progresso depende da taxa de avanço do rumo, é frequentemente facilitado minerando várias direções simultaneamente, como abrindo rumos intermediários de poços ou de galerias conduzidas para fornecer pontos extras de acesso para túneis mais longos.
Para diâmetros menores e túneis mais longos, uma bitola estreita Ferrovia é comumente empregado para retirar a sujeira e trazer trabalhadores e material de construção. Para furos maiores de comprimento curto a moderado, geralmente preferem-se caminhões. Para uso subterrâneo, eles requerem motores a diesel com depuradores para eliminar gases perigosos do escapamento. Embora os sistemas existentes de caminhões e ferrovias sejam adequados para túneis que progridem na faixa de 40-60 pés (12-18 metros) por dia, sua capacidade é inadequada para acompanhar os sinais de movimento rápido progredindo a uma taxa de várias centenas de pés por dia . Portanto, uma atenção considerável está sendo dedicada ao desenvolvimento de sistemas de transporte de alta capacidade - transportadores de correia contínua, oleodutos e sistemas ferroviários inovadores (carros de alta capacidade em trens de alta velocidade). A eliminação de sujeira e seu transporte na superfície também podem ser um problema em áreas urbanas congestionadas. Uma solução aplicada com sucesso no Japão é transportá-lo por pipeline para locais onde pode ser usado para recuperação por aterro .
Para enquete o controle, o trabalho de nível de trânsito de alta precisão (a partir de linhas de base estabelecidas pela triangulação do topo da montanha) geralmente tem sido adequado; longos túneis de lados opostos da montanha comumente encontram um erro de um pé ou menos. Outras melhorias são prováveis com a recente introdução do laser , cujo feixe de luz do tamanho de um lápis fornece uma linha de referência prontamente interpretada pelos trabalhadores. A maioria das toupeiras nos Estados Unidos agora usa um feixe de laser para guiar a direção, e algumas máquinas experimentais empregam a direção eletrônica acionada pelo feixe de laser.
Suporte de solo
O fator dominante em todas as fases do sistema de tunelamento é a extensão do suporte necessário para manter o terreno ao redor com segurança. Os engenheiros devem considerar o tipo de suporte, sua resistência e quando deve ser instalado após a escavação. O fator chave na instalação do suporte de tempo é o chamado tempo de stand-up— ou seja, quanto tempo o solo ficará com segurança por si mesmo na cabeceira, proporcionando assim um período para instalação de suportes. Em solo macio, o tempo de stand-up pode variar de segundos em solos como areia solta até horas em solo como coeso argila e até mesmo cai para zero no terreno que flui abaixo do lençol freático, onde a infiltração interna move a areia solta para dentro do túnel. O tempo de sustentação na rocha pode variar de minutos em solo desfiado (rocha muito fraturada onde os pedaços se soltam e caem gradualmente) até dias em rocha moderadamente articulada (espaçamento da junta em pés) e pode até ser medido em séculos em rocha quase intacta, onde o tamanho do bloco de rocha (entre as juntas) é igual ou superior ao tamanho da abertura do túnel, portanto, não requer suporte. Enquanto um minerador geralmente prefere rocha a solo macio, ocorrências locais de grandes defeitos dentro da rocha podem efetivamente produzir uma situação de solo macio; a passagem por tais áreas geralmente requer uma mudança radical para o uso de um tipo de suporte de solo macio.
Na maioria das condições, o tunelamento causa uma transferência da carga do solo arqueando para os lados da abertura, denominado efeito de arco do solo (, principal). No cabeçalho, o efeito é tridimensional, criando localmente uma cúpula terrestre na qual a carga é arqueada não apenas para os lados, mas também para a frente e para trás. Se a permanência do arco do solo for totalmente garantida, o tempo de stand-up é infinito , e nenhum suporte é necessário. A resistência do arco do solo geralmente se deteriora com o tempo, porém, aumentando a carga no suporte. Assim, a carga total é compartilhada entre o suporte e o arco do solo em proporção à sua rigidez relativa por um mecanismo físico denominado interação estrutura-meio. A carga de suporte aumenta muito quando o inerente a resistência do solo é muito reduzida, permitindo que o rendimento excessivo afrouxe a massa rochosa. Como isso pode ocorrer quando a instalação do suporte é atrasada por muito tempo, ou porque pode resultar de dano de explosão, a boa prática é baseada na necessidade de preservar a resistência do arco de solo como o membro de carga mais forte do sistema, imediatamente instalação de suporte adequado e evitando danos por explosão e movimento do influxo de água que tem tendência a soltar o solo.
Terminologia do túnel. Encyclopædia Britannica, Inc.
Como o tempo de suporte cai rapidamente conforme o tamanho da abertura aumenta, o método de face inteira de avanço (, centro), em que todo o diâmetro do túnel é escavado de uma só vez, é mais adequado para solos fortes ou para túneis menores. O efeito do solo fraco pode ser compensado diminuindo o tamanho da abertura inicialmente minerada e apoiada, como no título superior e no método de avanço de bancada. Para o caso extremo de solo muito macio, esta abordagem resulta no método de desvio múltiplo de avanço (Figura 2), no qual os desvios individuais são reduzidos a um tamanho pequeno que é seguro para escavação e porções do suporte são colocadas em cada deriva e progressivamente conectada conforme os desvios são expandidos. O núcleo central é deixado sem escavação até que os lados e a coroa sejam apoiados com segurança, proporcionando assim um apoio central conveniente para apoiar o suporte temporário em cada desvio individual. Embora esse método multifuncional obviamente lento seja uma técnica antiga para terreno muito fraco, tais condições ainda forçam sua adoção como último recurso em alguns túneis modernos. Em 1971, por exemplo, no túnel da rodovia interestadual Straight Creek no Colorado, um padrão muito complexo de vários desvios foi considerado necessário para avançar este grande túnel em forma de ferradura de 42 por 45 pés de altura através de uma zona de cisalhamento de mais de 300 metros de largura, após tentativas malsucedidas com a operação de um escudo em toda a sua face.
Nos primeiros túneis, a madeira era usada para o suporte inicial ou temporário, seguido por um revestimento permanente de tijolo ou alvenaria de pedra. Desde a aço tornou-se disponível, tem sido amplamente utilizado como o primeiro estágio temporário ou suporte principal. Para proteção contra a corrosão, quase sempre é revestido de concreto como um segundo estágio ou revestimento final. O suporte de nervuras de aço com bloqueio de madeira no exterior tem sido amplamente empregado em túneis de rocha. A forma de ferradura é comum para todas as rochas, exceto as mais fracas, uma vez que o fundo plano facilita puxando. Em contraste, a forma circular mais resistente e estruturalmente mais eficiente é geralmente necessária para suportar as cargas maiores de solo macio., inferior, compara essas duas formas e indica uma série de termos que identificam várias partes da seção transversal e membros adjacentes para um tipo de suporte de nervura de aço. Aqui, uma placa de parede é geralmente usada apenas com um método de cabeceira superior, onde serve para apoiar as nervuras do arco tanto na cabeceira superior como também onde a bancada está sendo escavada medindo ao longo desse comprimento até que os postes possam ser inseridos por baixo. Os novos tipos de suportes são discutidos abaixo com procedimentos de túneis mais modernos, nos quais a tendência é de afastar-se de dois estágios de suporte em direção a um único sistema de suporte, parte instalada antecipadamente e gradualmente reforçada em incrementos para conversão para o sistema de suporte completo final.
Controle ambiental
Em todos, exceto nos túneis mais curtos, o controle do meio Ambiente é essencial para fornecer condições de trabalho seguras. A ventilação é vital, tanto para fornecer ar fresco quanto para remover gases explosivos, como metano e gases nocivos, incluindo vapores de explosão. Embora o problema seja reduzido com o uso de motores a diesel com purificadores de exaustão e selecionando apenas explosivos de baixo fumo para uso subterrâneo, longos túneis envolvem uma grande instalação de ventilação que emprega uma tiragem forçada através de tubos leves de até três pés de diâmetro e com ventiladores de reforço em intervalos. Em túneis menores, os ventiladores são freqüentemente reversíveis, exaurindo a fumaça imediatamente após a detonação e, em seguida, revertendo para fornecer ar fresco ao rumo onde o trabalho agora está concentrado.
O ruído de alto nível gerado no cabeçalho pelo equipamento de perfuração e ao longo do túnel por ar de alta velocidade nas linhas de ventilação frequentemente requer o uso de tampões de ouvido com linguagem de sinais para comunicação. No futuro, os operadores de equipamentos podem trabalhar em cabines lacradas, mas a comunicação é um problema sem solução. Equipamentos eletrônicos em túneis são proibidos, pois correntes parasitas podem ativar circuitos de detonação. Tempestades também podem produzir correntes parasitas e requerem precauções especiais.
A poeira é controlada por sprays de água, perfuração úmida e o uso de máscaras respiratórias. Uma vez que a exposição prolongada à poeira de rochas contendo uma alta porcentagem de sílica pode causar uma doença respiratória conhecida como silicose, condições severas requerem precauções especiais, como um exaustor a vácuo para cada broca.
Embora o excesso de calor seja mais comum em túneis profundos, ocasionalmente ocorre em túneis bem rasos. Em 1953, os trabalhadores do Túnel Telecote de 6,4 milhas perto de Santa Bárbara, Califórnia, foram transportados imersos em carros de mina cheios de água através da área quente (117 ° F [47 ° C]). Em 1970, uma planta de refrigeração completa foi necessária para progredir através de um enorme fluxo de água quente a 150 ° F (66 ° C) no túnel Graton de 7 milhas, conduzido sob os Andes para drenar uma mina de cobre no Peru.
Tunelamento moderno de solo macio
Danos de assentamento e terreno perdido
Os túneis de solo macio são mais comumente usados para serviços urbanos (metrôs, esgotos e outras utilidades) para os quais a necessidade de acesso rápido por passageiros ou equipe de manutenção favorece uma profundidade rasa. Em muitas cidades, isso significa que os túneis estão acima da rocha, tornando a escavação mais fácil, mas exigindo suporte contínuo. A estrutura do túnel em tais casos é geralmente projetada para suportar toda a carga do solo acima dela, em parte porque o arco do solo no solo se deteriora com o tempo e em parte como uma compensação para mudanças de carga resultantes da construção futura de edifícios ou túneis. Os túneis de solo macio são normalmente de formato circular por causa da força inerentemente maior deste formato e da capacidade de se reajustar a futuras mudanças de carga. Em locais com faixa de servidão, a preocupação dominante na construção de túneis urbanos é a necessidade de evitar danos intoleráveis aos assentamentos em edifícios adjacentes. Embora isso raramente seja um problema no caso de arranha-céus modernos, que geralmente têm fundações que se estendem até a rocha e porões profundos frequentemente estendendo-se abaixo do túnel, pode ser uma consideração decisiva na presença de edifícios de altura moderada, cujas fundações são geralmente rasas. Nesse caso, o engenheiro do túnel deve escolher entre apoiar ou empregar um método de tunelamento que seja suficientemente infalível para evitar danos ao assentamento.
O assentamento da superfície resulta do terreno perdido - ou seja, solo que se move para dentro do túnel em excesso do volume real do túnel. Todos os métodos de tunelamento de solo macio resultam em certa quantidade de terreno perdido. Algumas são inevitáveis, como a lenta compressão lateral da argila plástica que ocorre à frente da face do túnel, à medida que novas tensões do abaulamento na direção fazem com que a argila se mova em direção à face antes que o túnel alcance sua localização. A maior parte do terreno perdido, entretanto, resulta de métodos de construção inadequados e mão de obra descuidada. Portanto, o seguinte enfatiza razoavelmente conservador métodos de tunelamento, que oferecem a melhor chance de manter o terreno perdido a um nível aceitável de aproximadamente 1 por cento.
Túneis minados à mão
A antiga prática de mineração manual ainda é econômica para algumas condições (túneis cada vez mais curtos) e pode ilustrar técnicas específicas melhor do que sua contraparte mecanizada. Os exemplos são as técnicas de forepoling e breasting desenvolvidas para o caso perigoso de terreno em execução (instável).mostra os fundamentos do processo: proa avançada sob um teto de pranchas do antepépolo que são impulsionadas para a frente na coroa (e nas laterais em casos graves) mais tábuas ou anteparas contínuas na proa. Com um trabalho cuidadoso, o método permite avançar com muito pouco terreno perdido. O peitoral superior pode ser removido, um pequeno avanço escavado, este peitoral substituído e o progresso pode ser continuado trabalhando para baixo uma placa de cada vez. Embora o forepoling de parede sólida seja quase uma arte perdida, um adaptação disso é denominado derramamento. Em derramar os antebraços são intermitente com lacunas entre eles. O derramamento da coroa ainda é usado para passar em terreno ruim; neste caso, os spiles podem consistir em trilhos colocados à frente, ou mesmo barras de aço colocadas em orifícios perfurados na rocha britada.
Avanço de rumo por forepoling. Encyclopædia Britannica, Inc.
Em terreno que proporciona um tempo de sustentação razoável, um sistema de suporte moderno usa seções de chapa de aço colocadas contra o solo e aparafusadas em um círculo completo de cobertura sólida e, em túneis maiores, reforçadas internamente por nervuras circulares de aço. As placas de revestimento individuais são leves e podem ser facilmente erguidas à mão. Ao empregar pequenos desvios (passagens horizontais), fixados a um núcleo central, a técnica de placa de revestimento tem sido bem-sucedida em túneis maiores -mostra a prática de 1940 nos túneis de 20 pés do Chicago metrô. O cabeçalho superior é levado adiante, precedido ligeiramente por um monte de macaco no qual a placa de parede é fixada e serve como base para as costelas do arco, também para se estender à medida que a placa de parede é sustentada por postes eretos em pequenos entalhes em cada lado do o banco inferior. Como as nervuras e a placa de revestimento fornecem apenas um suporte leve, elas são reforçadas pela instalação de um revestimento de concreto cerca de um dia antes da mineração. Embora os túneis de placas de revestimento sejam mais econômicos do que os túneis de proteção, os riscos de perda de terreno são um pouco maiores e exigem não apenas um trabalho muito cuidadoso, mas também uma investigação completa da mecânica do solo com antecedência, iniciada em Chicago por Karl V. Terzaghi.
Suporte de solo macio por nervuras e placas de revestimento. Encyclopædia Britannica, Inc.
Túneis de escudo
O risco de perda de terreno também pode ser reduzido com o uso de um escudo com bolsos individuais de onde os trabalhadores podem minerar à frente; estes podem ser fechados rapidamente para interromper um run-in. Em solo extremamente macio, o escudo pode ser simplesmente empurrado para a frente com todos os bolsos fechados, deslocando completamente o solo à sua frente; ou pode ser empurrado com alguns dos bolsos abertos, através dos quais o solo mole se expande como uma salsicha, cortado em pedaços para remoção por uma correia transportadora. O primeiro desses métodos foi usado no túnel Lincoln no lodo do rio Hudson.
O suporte erguido dentro da cauda do escudo consiste em grandes segmentos, tão pesados que requerem um braço eretor de força para o posicionamento enquanto são aparafusados. Por sua alta resistência à corrosão, o ferro fundido tem sido o material mais utilizado para segmentos, dispensando assim a necessidade de revestimento secundário de concreto. Hoje, segmentos mais leves são empregados. Em 1968, por exemplo, o metrô de São Francisco utilizava segmentos de chapas de aço soldadas, protegidas externamente por revestimento betuminoso e galvanizado lado de dentro. Engenheiros britânicos desenvolveram segmentos de concreto pré-moldado que estão se tornando populares na Europa.
Um problema inerente ao método de blindagem é a existência de um vazio em forma de anel de 2 a 5 polegadas (5 a 13 centímetros) deixado fora dos segmentos como resultado da espessura da placa de pele e a folga necessária para o segmento ereção. O movimento do solo nesse vazio pode resultar em até 5% de terreno perdido, uma quantidade intolerável em obras urbanas. O terreno perdido é mantido em níveis razoáveis soprando prontamente cascalho de pequeno porte no vazio e, em seguida, injetando argamassa de cimento (mistura de areia-cimento-água).
Controle de água
Um túnel de solo macio abaixo do lençol freático envolve um risco constante de colisão - ou seja, solo e água fluindo para o túnel, o que muitas vezes resulta na perda total da direção. Uma solução é baixar o lençol freático abaixo do fundo do túnel antes do início da construção. Isso pode ser feito bombeando-se de poços profundos à frente e de pontos de poços dentro do túnel. Embora isso beneficie o tunelamento, a queda do lençol freático aumenta a carga nas camadas mais profundas do solo. Se estes forem relativamente compressíveis, o resultado pode ser um grande assentamento de edifícios adjacentes em fundações rasas, um exemplo extremo sendo um subsidência de 15 a 20 pés em Cidade do México devido ao excesso de bombeamento.
Quando as condições do solo tornam indesejável a queda do lençol freático, ar comprimido dentro do túnel pode compensar a pressão da água externa. Em túneis maiores, a pressão do ar é geralmente ajustada para equilibrar a pressão da água na parte inferior do túnel, com o resultado de que ela então excede a pressão menor da água na coroa (parte superior). Como o ar tende a escapar pela parte superior do túnel, é necessária uma inspeção e reparo constantes de vazamentos com palha e lama. Caso contrário, pode ocorrer uma ruptura, despressurizando o túnel e possivelmente perdendo a direção conforme o solo entra. O ar comprimido aumenta muito os custos operacionais, em parte porque é necessária uma grande fábrica de compressores, com equipamento de reserva para garantir contra perda de pressão e em parte por causa do movimento lento de trabalhadores e trens de lixo através das comportas de ar. O fator dominante, no entanto, é a enorme redução no tempo produtivo e no longo tempo de descompressão necessários para as pessoas que trabalham no ar para prevenir a doença incapacitante conhecida como curvas (ou doença do caixão), também encontrada por mergulhadores. Os regulamentos ficam mais rígidos conforme a pressão aumenta até o máximo usual de 45 libras por polegada quadrada (3 atmosferas), onde o tempo diário é limitado a uma hora de trabalho e seis horas para descompressão. Isso, mais o pagamento de risco mais elevado, torna o túnel sob alta pressão de ar muito caro. Em conseqüência, muitas operações de tunelamento tentam diminuir a pressão do ar operacional, seja baixando parcialmente o lençol freático ou, especialmente na Europa, fortalecendo o solo por meio da injeção de rejuntes químicos de solidificação. Empresas francesas e britânicas especializadas em rejuntes desenvolveram uma série de rejuntes químicos de alta engenharia e estão obtendo um sucesso considerável na cimentação antecipada de solos fracos.
Toupeiras de solo macio
Desde seu primeiro sucesso em 1954, os moles (máquinas de mineração) foram rapidamente adotados em todo o mundo. Cópias aproximadas das toupeiras de Oahe foram usadas para túneis de grande diâmetro semelhantes em xisto de argila na Barragem de Gardiner no Canadá e na Barragem de Mangla no Paquistão durante meados da década de 1960, e as toupeiras subsequentes tiveram sucesso em muitos outros locais envolvendo a escavação de túneis através de rochas moles. Das várias centenas de moles construídos, a maioria foi projetada para o túnel de solo mais facilmente escavado e agora está começando a se dividir em quatro tipos amplos (todos são semelhantes porque escavam a terra com dentes de arrasto e descarregam a sujeira em uma correia transportadora, e a maioria opera dentro de um escudo).
O tipo de roda aberta é provavelmente o mais comum. Na roda, o braço do cortador gira em uma direção; em um modelo variante, ele oscila para frente e para trás em uma ação de limpador de pára-brisa que é mais adequada em solo úmido e pegajoso. Embora adequada para solo firme, a toupeira aberta às vezes foi enterrada por corridas ou solo solto.
A toupeira de face fechada compensa parcialmente esse problema, uma vez que pode ser mantida pressionada contra a face enquanto absorve sujeira através das ranhuras. Uma vez que os cortadores são trocados da face, a troca deve ser feita em terreno firme. Esse tipo de toupeira teve um bom desempenho, começando no final dos anos 1960, no projeto do metrô de São Francisco em argila mole a média com algumas camadas de areia, com média de 30 pés por dia. Neste projeto, a operação de molas tornou mais barato e seguro dirigir dois túneis de via única do que um grande túnel de via dupla. Quando os edifícios adjacentes tinham fundações profundas, uma redução parcial do lençol freático permitia operações sob baixa pressão, o que conseguiu limitar o recalque da superfície em cerca de uma polegada. Em áreas de fundações de edifícios rasas, a desidratação não era permitida; a pressão do ar foi então dobrada para 28 libras por polegada quadrada e os assentamentos foram ligeiramente menores.
Um terceiro tipo é a toupeira de pressão no rosto. Aqui, apenas a face é pressurizada e o túnel propriamente dito opera ao ar livre - evitando assim os altos custos de mão de obra sob pressão. Em 1969, uma primeira grande tentativa usou a pressão do ar na face de um molhe operando em areias e lodos para o Paris Metrô . Uma tentativa de 1970 em argilas vulcânicas da Cidade do México usou uma mistura de argila-água como uma pasta pressurizada (mistura líquida); a técnica era nova, pois a lama era removida por duto, um procedimento também usado simultaneamente no Japão com uma toupeira de pressão na face de 23 pés de diâmetro. O conceito foi desenvolvido na Inglaterra, onde uma toupeira experimental desse tipo foi construída pela primeira vez em 1971.
O tipo de escavadeira com escudo é essencialmente um braço de escavadeira movido a energia hidráulica que escava à frente de um escudo, cuja proteção pode ser estendida para a frente por placas de pólo operadas hidraulicamente, atuando como estacas retráteis. Em 1967-70, no túnel Saugus-Castaic de 26 pés de diâmetro perto de Los Angeles, uma toupeira desse tipo produziu progresso diário em arenito argiloso com média de 113 pés por dia e 202 pés no máximo, completando cinco milhas de túnel meio ano antes de programação. Em 1968, um dispositivo desenvolvido de forma independente de design semelhante também funcionou bem em sedimentos compactados para um túnel de esgoto de 3,5 metros de diâmetro em Seattle.
Pipe jacking
Para pequenos túneis em uma faixa de tamanho de cinco a oito pés, pequenos moles do tipo de roda aberta foram efetivamente combinados com uma técnica mais antiga conhecida como jacking de tubo, em que um revestimento final de tubo de concreto pré-moldado é levantado para frente em Seções. O sistema usado em 1969 em duas milhas de esgoto em argila de Chicago tinha corridas de elevação de até 1.400 pés entre os poços. Uma mola de roda alinhada a laser corta um orifício ligeiramente maior do que o tubo de revestimento. O atrito foi reduzido pelo lubrificante de bentonita adicionado externamente através de orifícios perfurados na superfície, que foram posteriormente usados para rejuntar quaisquer vazios fora do revestimento do tubo. A técnica original de pipe jacking foi desenvolvida especialmente para cruzar sob ferrovias e rodovias como um meio de evitar a interrupção do tráfego da alternativa de construção em vala aberta. Como o projeto de Chicago mostrou um potencial de progresso de algumas centenas de metros por dia, a técnica se tornou atraente para pequenos túneis.
Moderno pedra tunelamento
Natureza do maciço rochoso
É importante distinguir entre a alta resistência de um bloco de rocha sólida ou intacta e a resistência muito menor da massa de rocha que consiste em blocos de rocha fortes separados por juntas muito mais fracas e outros defeitos de rocha. Embora a natureza da rocha intacta seja significativa em pedreira , perfuração e corte por moles, túneis e outras áreas da engenharia de rochas estão relacionados às propriedades da massa rochosa. Essas propriedades são controladas pelo espaçamento e natureza dos defeitos, incluindo juntas (geralmente fraturas causadas por tensão e às vezes preenchidas com material mais fraco), falhas, panes (fraturas de cisalhamento frequentemente preenchidas com material semelhante a argila chamado goiva), zonas de cisalhamento (esmagadas por deslocamento de cisalhamento), zonas alteradas (nas quais o calor ou ação química destruíram em grande parte a ligação original que cimenta os cristais de rocha), planos de estratificação e costuras fracas (em xisto, frequentemente alterado para argila). Uma vez que esses detalhes geológicos (ou perigos) geralmente só podem ser generalizados em previsões antecipadas, os métodos de escavação de túneis de rocha requerem flexibilidade para lidar com as condições à medida que são encontradas. Qualquer um desses defeitos pode converter a rocha em uma caixa de solo macio mais perigosa.
Também importante é o geostress - ou seja, o estado de tensão existente in situ antes da construção do túnel. Embora as condições sejam bastante simples no solo, o geostress na rocha tem uma ampla gama porque é influenciado pelas tensões remanescentes de eventos geológicos anteriores: construção de montanhas, movimentos crustais ou carga removida posteriormente (derretimento do gelo glacial ou erosão da antiga cobertura de sedimentos) . A avaliação dos efeitos do geoestresse e das propriedades do maciço rochoso são objetivos primários do campo relativamente novo da mecânica das rochas e são tratados abaixo com câmaras subterrâneas, uma vez que sua importância aumenta com o tamanho da abertura. Esta seção, portanto, enfatiza o túnel de rocha usual, na faixa de tamanho de 15 a 25 pés.
Jateamento convencional
A detonação é realizada em um ciclo de perfuração, carregamento, detonação, ventilação de fumos e remoção de sujeira. Uma vez que apenas uma dessas cinco operações pode ser conduzida por vez no espaço confinado no cabeçalho, esforços concentrados para melhorar cada uma resultaram no aumento da taxa de avanço para uma faixa de 40-60 pés por dia, ou provavelmente perto do limite para tal sistema cíclico. A perfuração, que consome grande parte do ciclo do tempo, foi intensamente mecanizada nos Estados Unidos. Brocas de alta velocidade com bits renováveis de carboneto de tungstênio duro são posicionadas por jib booms acionados por energia localizados em cada nível de plataforma do jumbo de perfuração (uma plataforma montada para transportar brocas). Jumbos montados em caminhões são usados em túneis maiores. Quando montado em trilhos, o jumbo de perfuração é disposto para abranger o mucker de modo que a perfuração possa continuar durante a última fase da operação de mucking.
Experimentando vários padrões de furos de sondagem e a sequência de disparos de explosivos nos buracos, os engenheiros suecos conseguiram explodir um cilindro quase limpo em cada ciclo, minimizando o uso de explosivos.
A dinamite, o explosivo usual, é disparada por detonadores elétricos, energizados por um circuito de disparo separado com interruptores bloqueados. Os cartuchos são geralmente carregados individualmente e assentados com uma haste de compactação de madeira; Os esforços suecos para agilizar o carregamento geralmente empregam um carregador de cartucho pneumático. Os esforços americanos para reduzir o tempo de carregamento tendem a substituir a dinamite por um agente de detonação de livre funcionamento, como uma mistura de nitrato de amônio e óleo combustível (chamado AN-FO), que na forma granular (esferas) pode ser soprado no orifício de perfuração por ar comprimido. Embora os agentes do tipo AN-FO sejam mais baratos, sua menor potência aumenta a quantidade necessária e seus vapores geralmente aumentam os requisitos de ventilação. Para buracos úmidos, os grânulos devem ser transformados em uma pasta que requer processamento especial e equipamento de bombeamento.
Suporte de rock
O carregamento mais comum no suporte de um túnel em rocha dura é devido ao peso da rocha solta abaixo do arco do solo, onde os projetistas contam principalmente com a experiência com túneis alpinos, conforme avaliado por dois austríacos, Karl V. Terzaghi, o fundador da mecânica do solo e Josef Stini, um pioneiro emgeologia de engenharia. A carga de suporte é grandemente aumentada por fatores que enfraquecem a massa rochosa, particularmente danos causados por explosões. Além disso, se um atraso na colocação do suporte permite que a zona de rocha se solte para propagar para cima ( ou seja, rocha cai do teto do túnel), a resistência do maciço rochoso é reduzida e o arco do solo é levantado. Obviamente, a carga da rocha solta pode ser muito alterada por uma mudança na inclinação da junta (orientação das fraturas da rocha) ou pela presença de um ou mais dos defeitos da rocha mencionados anteriormente. Menos frequente, mas mais grave é o caso de alto geoestresse, que em rocha dura e quebradiça pode resultar em explosões de rocha (lascamento explosivo do lado do túnel) ou em uma massa de rocha mais plástica pode apresentar uma compressão lenta para dentro do túnel. Em casos extremos, a compressão do solo foi tratada permitindo que a rocha cedesse, mantendo o processo sob controle, em seguida, remendando e reiniciando o suporte inicial várias vezes, além de adiar o revestimento de concreto até que o arco do solo se estabilize.
Por muitos anos, conjuntos de nervuras de aço foram o suporte de primeiro estágio usual para túneis de rocha, com espaçamento próximo do bloqueio de madeira contra a rocha sendo importante para reduzir a tensão de flexão na nervura. As vantagens são maior flexibilidade na alteração do espaçamento das costelas, além da capacidade de lidar com a compressão do solo, reajustando as costelas após a remontagem. Uma desvantagem é que em muitos casos o sistema cede excessivamente, convidando ao enfraquecimento do maciço rochoso. Finalmente, o sistema de nervuras serve apenas como um primeiro estágio ou suporte temporário, exigindo um revestimento do segundo estágio em um revestimento de concreto para proteção contra corrosão.
Forro de concreto
Os forros de concreto auxiliam no fluxo do fluido, proporcionando uma superfície lisa e protegendo contra fragmentos de rocha que caiam sobre os veículos que usam o túnel. Embora os túneis rasos geralmente sejam revestidos por concreto caindo em buracos perfurados na superfície, a maior profundidade da maioria dos túneis de rocha requer a concretagem inteiramente dentro do túnel. As operações em tal espaço congestionado envolvem equipamentos especiais, incluindo carros agitadores para transporte, bombas ou dispositivos de ar comprimido para colocar o concreto e formas de arco telescópico que podem ser colapsadas para avançar dentro das formas que permanecem no lugar. O invertido geralmente é concretado primeiro, seguido pelo arco onde as formas devem ser deixadas no local de 14 a 18 horas para que o concreto ganhe a resistência necessária. Os vazios na coroa são minimizados mantendo o tubo de descarga enterrado em concreto fresco. A operação final consiste no rejuntamento de contato, no qual uma argamassa de areia-cimento é injetada para preencher eventuais vazios e estabelecer contato total entre o forro e o solo. O método geralmente produz progresso na faixa de 40 a 120 pés por dia. Na década de 1960, houve uma tendência para um método de avanço em declive de concretagem contínua, originalmente concebido para embutir o cilindro de aço de uma comporta hidrelétrica. Neste procedimento, várias centenas de pés de formas são inicialmente assentadas, em seguida, colapsadas em seções curtas e movidas para a frente depois que o concreto ganhou a resistência necessária, mantendo-se assim à frente da inclinação de avanço contínuo do concreto fresco. Como um exemplo de 1968, o Túnel Flathead da Barragem de Libby em Montana atingiu uma taxa de concretagem de 300 pés (90 metros) por dia usando o método de declive de avanço.
Parafusos de rocha
Os parafusos de rocha são usados para reforçar a rocha articulada, assim como as barras de reforço fornecem resistência à tração em concreto reforçado . Após os primeiros testes por volta de 1920, eles foram desenvolvidos na década de 1940 para fortalecer os estratos de telhado laminado em minas. Para obras públicas, seu uso aumentou rapidamente desde 1955, à medida que a confiança se desenvolveu a partir de duas aplicações pioneiras independentes, ambas no início dos anos 1950. Um foi a mudança bem-sucedida de conjuntos de nervuras de aço para parafusos de rocha mais baratos em grande parte dos 85 quilômetros de túneis que formam o Aqueduto do Rio Delaware em Nova York. O outro foi o sucesso de parafusos como o único suporte de rocha em grandes câmaras subterrâneas de usinas de força do projeto Snowy Mountains da Austrália. Desde cerca de 1960, os parafusos de rocha têm tido grande sucesso em fornecer o suporte único para grandes túneis e câmaras de rocha com vãos de até 30 metros. Os parafusos são comumente dimensionados de 0,75 a 1,5 polegadas e funcionam para criar uma compressão através da rocha fissuras , tanto para evitar a abertura das juntas quanto para criar resistência ao deslizamento ao longo das juntas. Para isso, são colocados prontamente após o jateamento, ancorados na extremidade, tensionados e, a seguir, grauteados para resistir à corrosão e evitar a deformação da âncora. Os tendões da rocha (cabos protendidos ou hastes agrupadas, proporcionando maior capacidade do que os parafusos da rocha) de até 250 pés de comprimento e protendidos para várias centenas de toneladas cada, conseguiram estabilizar muitas massas de rocha deslizantes em câmaras de rocha, abutments de barragens e encostas rochosas altas. Um exemplo notável é o seu uso no reforço dos pilares da Barragem Vaiont, na Itália. Em 1963, este projeto sofreu um desastre quando um deslizamento de terra gigante encheu o reservatório, causando uma grande onda que ultrapassou a barragem, com grande perda de vidas. Surpreendentemente, a barragem em arco de 875 pés de altura sobreviveu a essa enorme sobrecarga; acredita-se que os tendões das rochas tenham fornecido um grande reforço.
Concreto projetado
O concreto projetado é concreto de pequenos agregados transportado através de uma mangueira e disparado de um Pistola de ar em uma superfície de apoio sobre a qual é construído em camadas finas. Embora as misturas de areia tenham sido aplicadas há muitos anos, novos equipamentos no final da década de 1940 tornaram possível melhorar o produto incluindo grosseiro agregar até uma polegada; forças de 6.000 a 10.000 libras por polegada quadrada (400 a 700 quilogramas por centímetro quadrado) tornaram-se comuns. Após o sucesso inicial como suporte de túnel de rocha em 1951–55 no Projeto Hidro Maggia na Suíça, a técnica foi desenvolvida na Áustria e na Suécia. A notável capacidade de uma fina camada de concreto projetado (de uma a três polegadas) para se unir e tricotar fissurado a rocha em um arco forte e para impedir o desfiamento de peças soltas logo levou ao concreto projetado substituindo em grande parte o suporte de reforço de aço em muitos túneis de rocha europeus. Em 1962, a prática se espalhou para América do Sul . A partir dessa experiência, mais um teste limitado na Mina Hecla em Idaho, o primeiro grande uso de concreto projetado de agregado grosso para suporte de túneis em América do Norte desenvolvido em 1967 no Vancouver Railroad Tunnel, com uma seção transversal de 20 por 29 pés de altura e um comprimento de duas milhas. Aqui, um revestimento inicial de 5 a 10 cm provou ser tão bem sucedido na estabilização de xisto duro e em blocos e na prevenção de desfiamento em conglomerado friável (esfarelento) e arenito que o concreto projetado foi engrossado em 15 cm no arco e 10 cm nas paredes para se formar o suporte permanente, economizando cerca de 75 por cento do custo das nervuras de aço e revestimento de concreto originais.
Uma chave para o sucesso do shotcreting é sua aplicação imediata antes que o afrouxamento comece a reduzir a resistência da massa rochosa. Na prática sueca, isso é feito aplicando-se imediatamente após a detonação e, enquanto a limpeza está em andamento, utilizando o robô sueco, que permite ao operador permanecer sob a proteção do teto anteriormente apoiado. No túnel de Vancouver, o concreto projetado foi aplicado a partir de uma plataforma que se estendia para a frente do jumbo enquanto a máquina de limpeza operava abaixo. Tirando vantagem de várias propriedades exclusivas do concreto projetado (flexibilidade, alta resistência à flexão e capacidade de aumentar a espessura em camadas sucessivas), a prática sueca desenvolveu o concreto projetado em um sistema de suporte único que é reforçado progressivamente conforme necessário para a conversão no suporte final.
Preservando a resistência da rocha
Em túneis de rocha, os requisitos de suporte podem ser reduzidos significativamente, na medida em que o método de construção pode preservar a resistência inerente do maciço rochoso. A opinião foi frequentemente expressa de que uma alta porcentagem de apoio em túneis de rocha nos Estados Unidos (talvez mais da metade) foi necessária para estabilizar a rocha danificada por detonação, em vez de por causa de uma resistência inerentemente baixa da rocha. Como remédio, duas técnicas estão disponíveis atualmente. O primeiro é o desenvolvimento sueco de detonação de parede de som (para preservar a resistência da rocha), tratada abaixo das câmaras de rocha, uma vez que sua importância aumenta com o tamanho da abertura. O segundo é o desenvolvimento americano de moles de rocha que cortam uma superfície lisa no túnel, minimizando assim os danos à rocha e as necessidades de suporte - aqui limitado a parafusos de rocha conectados por cintas de aço para este túnel de arenito. Em rochas mais fortes (como os esgotos de Chicago em dolomita em 1970), a escavação de toupeiras não apenas eliminou em grande parte a necessidade de suporte, mas também produziu uma superfície de lisura adequada para o escoamento do esgoto, o que permitiu uma grande economia ao omitir o revestimento de concreto. Desde seu sucesso inicial no xisto argiloso, o uso de moles de rocha se expandiu rapidamente e alcançou um sucesso significativo em rochas de resistência média, como arenito, siltito, calcário, dolomita, riolito e xisto. A taxa de avanço variou de 300 a 400 pés por dia e freqüentemente ultrapassou outras operações no sistema de tunelamento. Embora moles experimentais tenham sido usados com sucesso para cortar rocha dura, como granito e quartzito, tais dispositivos não eram econômicos, porque a vida útil do cortador era curta e a substituição frequente do cortador era cara. Isso provavelmente mudaria, no entanto, à medida que os fabricantes de toupeiras buscavam estender a gama de aplicação. A melhoria nos cortadores e o progresso na redução do tempo perdido com quebras de equipamentos estavam produzindo melhorias consistentes.
As toupeiras americanas desenvolveram dois tipos de cortadores: cortadores de disco que separam a rocha entre as ranhuras iniciais cortadas pelos discos de rolagem de face dura e cortadores de broca cilíndrica usando brocas inicialmente desenvolvidas para perfuração rápida de poços de petróleo. Como entrantes posteriores no campo, os fabricantes europeus geralmente tentaram uma abordagem diferente - fresas do tipo que fresam ou aplainam parte da rocha e, em seguida, cortam as áreas de corte inferior. A atenção também está se concentrando na ampliação das capacidades dos moles para funcionar como a máquina primária de todo o sistema de tunelamento. Assim, espera-se que as toupeiras futuras não apenas cortem rochas, mas também explorem terreno perigoso; manusear e tratar solo ruim; fornecer uma capacidade para a rápida ereção de suporte, aparafusamento ou projeção; mude os cortadores da parte traseira em terreno solto; e produzir fragmentos de rocha de um tamanho apropriado para a capacidade do sistema de remoção de sujeira. À medida que esses problemas são resolvidos, o sistema de tunelamento contínuo por mol deve substituir em grande parte o sistema cíclico de perfuração e detonação.
Entrada de água
A exploração à frente do caminho de um túnel é particularmente necessária para a localização de possíveis fluxos elevados de água e para permitir o seu pré-tratamento por drenagem ou rejuntamento. Quando fluxos de alta pressão ocorrem inesperadamente, eles resultam em longas paradas. Quando fluxos enormes são encontrados, uma abordagem é conduzir túneis paralelos, avançando-os alternadamente para que um alivie a pressão na frente do outro. Isso foi feito em 1898 nas obras do Túnel Simplon e em 1969 no Túnel Graton, no Peru, onde o fluxo atingiu 60.000 galões (230.000 litros) por minuto. Outra técnica é despressurizar à frente por orifícios de drenagem (ou pequenos desvios de drenagem em cada lado), um exemplo extremo sendo o manuseio japonês de 1968 de água e rochas extraordinariamente difíceis no Túnel Ferroviário de Rokko, usando aproximadamente três quartos de milha de drenagem montes e cinco milhas de orifícios de drenagem em um quarto de milha de comprimento do túnel principal.
Terreno pesado
O termo do minerador para solo de geostress muito fraco ou alto que causa falhas repetidas e substituição de suporte é solo pesado. Ingenuidade, paciência e grandes aumentos de tempo e recursos são invariavelmente necessários para lidar com isso. Em geral, técnicas especiais foram desenvolvidas no trabalho, conforme indicado por alguns dos numerosos exemplos. No Túnel Veicular do Mont Blanc de 11,2 milhas de tamanho de 32 pés sob os Alpes em 1959-63, um piloto de perfuração à frente ajudou muito a reduzir o rompimento de rocha, aliviando o alto geostress. O túnel El Colegio Penstock, de 5 milhas e 14 pés, na Colômbia foi concluído em 1965 em xisto betuminoso, exigindo a substituição e reconfiguração de mais de 2.000 conjuntos de costelas, que se dobraram conforme o inverso (suportes do fundo) e os lados gradualmente se comprimiam até 3 pés, e diferindo a concretagem até a estabilização do arco de solo.
Embora o arco do solo eventualmente tenha se estabilizado nestes e em numerosos exemplos semelhantes, o conhecimento é inadequado para estabelecer o ponto entre a deformação desejável (para mobilizar a resistência do solo) e a deformação excessiva (o que reduz sua resistência), e a melhoria é mais provável de vir de um planejamento cuidadoso e seções de teste de campo observadas em protótipo escala, mas estes foram tão caros que muito poucos foram realmente executados, notadamente as seções de teste de 1940 em argila no metrô de Chicago e o túnel de teste Garrison Dam 1950 no xisto de argila de Dakota do Norte . Esse teste de campo do protótipo resultou, no entanto, em economias substanciais no custo eventual do túnel. Para rochas mais duras, os resultados confiáveis são ainda mais fragmentários.
Túneis não revestidos
Numerosos túneis de tamanho modesto convencionalmente destruídos foram deixados sem revestimento, caso a ocupação humana fosse rara e a rocha fosse geralmente boa. Inicialmente, apenas as zonas fracas são alinhadas e as áreas marginais são deixadas para manutenção posterior. O mais comum é o caso de um túnel de água que é construído superdimensionado para compensar o aumento de fricção dos lados ásperos e, se for um túnel de conduto forçado, é equipado com uma armadilha de rocha para pegar pedaços de rocha soltos antes que possam entrar nas turbinas. A maioria deles teve sucesso, especialmente se as operações pudessem ser programadas para paralisações periódicas para reparo de manutenção de quedas de rochas; o Túnel de Irrigação Laramie-Poudre no norte do Colorado experimentou apenas duas quedas de rochas significativas em 60 anos, cada uma facilmente reparada durante um período sem irrigação. Em contraste, uma queda progressiva de rochas no túnel da comporta Kemano de 22,5 km no Canadá resultou no fechamento de toda a cidade de Kitimat em Columbia Britânica e trabalhadores em férias por nove meses em 1961, uma vez que não havia outras fontes de eletricidade para operar a fundição. Portanto, a escolha de um túnel sem revestimento envolve um compromisso entre a economia inicial e a manutenção adiada, além da avaliação das consequências de um desligamento do túnel.
Compartilhar:
