Túneis e escavações subterrâneas
Túneis e escavações subterrâneas , passagem subterrânea horizontal produzida por escavação ou ocasionalmente pela ação da natureza na dissolução de uma rocha solúvel, como o calcário. Uma abertura vertical é geralmente chamada de eixo. Os túneis têm muitos usos: para minerar minérios, para transporte - incluindo veículos rodoviários, trens, metrôs e canais - e para conduzir água e esgoto. As câmaras subterrâneas, muitas vezes associadas a um complexo de túneis e poços de conexão, estão cada vez mais sendo usadas para coisas como usinas hidrelétricas subterrâneas, usinas de processamento de minério, estações de bombeamento, estacionamento de veículos, armazenamento de óleo e água, estações de tratamento de água, armazéns e manufatura leve; também centros de comando e outras necessidades militares especiais.
Os verdadeiros túneis e câmaras são escavados de dentro - com o material sobreposto deixado no lugar - e então revestidos conforme necessário para apoiar o adjacente chão. A entrada do túnel na encosta é chamada de portal; os túneis também podem ser iniciados na parte inferior de um poço vertical ou no final de um túnel horizontal direcionado principalmente para acesso à construção e denominado adit. Os chamados túneis de corte e cobertura (mais corretamente chamados de conduítes) são construídos escavando da superfície, construindo a estrutura e, em seguida, cobrindo com aterro. Os túneis subaquáticos são agora comumente construídos com o uso de um tubo imerso: longas seções de tubo pré-fabricadas são flutuadas até o local, enterradas em uma trincheira preparada e cobertas com aterro. Para todos os trabalhos subterrâneos, as dificuldades aumentam com o tamanho da abertura e dependem muito das deficiências do terreno natural e da extensão do fluxo de água.
História
Túneis antigos
É provável que a primeira escavação de túneis tenha sido feita por povos pré-históricos que buscavam ampliar suas cavernas. Todas as principais civilizações antigas desenvolveram métodos de construção de túneis. Dentro Babilônia , os túneis eram usados extensivamente para irrigação; e uma passagem de pedestres revestida de tijolos com cerca de 3.000 pés (900 metros) de comprimento foi construída entre 2180 e 2160acdebaixo de Rio Eufrates para conectar o palácio real com o templo. A construção foi realizada desviando o rio durante a estação seca. Os egípcios desenvolveram técnicas de corte de rochas macias com serras de cobre e brocas de cana vazadas, ambas rodeadas por um abrasivo, uma técnica provavelmente usada primeiro para pedreira blocos de pedra e, mais tarde, escavando salas de templos dentro de penhascos rochosos. Abu Simbel Templo no Nilo, por exemplo, foi construído em arenito por volta de 1250acpara Ramsés II (na década de 1960 foi cortado e movido para um terreno mais alto para preservação antes da inundação da Grande Barragem de Aswān). Templos ainda mais elaborados foram posteriormente escavados em rocha sólida na Etiópia e na Índia.
O Gregos e Romanos ambos faziam uso extensivo de túneis: para recuperar pântanos por drenagem e para aquedutos de água, como o século VI-acO túnel de água grego na ilha de Samos passa por cerca de 3.400 pés através de calcário com uma seção transversal de cerca de 6 pés quadrados. Talvez o maior túnel nos tempos antigos fosse um túnel rodoviário de 4.800 pés de comprimento, 25 pés de largura e 30 pés de altura (o Pausilippo) entre Nápoles e Pozzuoli, executado em 36ac. Naquela época levantamento métodos (comumente por linha de corda e prumo) foram introduzidos, e túneis foram avançados a partir de uma sucessão de poços estreitamente espaçados para fornecer ventilação. Para evitar a necessidade de um revestimento, a maioria dos túneis antigos estava localizada em rocha razoavelmente forte, que foi quebrada (fragmentada) pela chamada extinção de fogo, um método que envolve aquecer a rocha com fogo e repentinamente resfriá-la por umedecimento com água. Os métodos de ventilação eram primitivos, muitas vezes limitados a agitar uma tela na boca do poço, e a maioria dos túneis ceifou a vida de centenas ou mesmo milhares de escravos usados como trabalhadores. Dentropara41 os romanos usaram cerca de 30.000 homens por 10 anos para empurrar um túnel de 3,5 milhas (6 quilômetros) para drenar Lacus Fucinus. Eles trabalharam em poços com 36 metros de distância e até 120 metros de profundidade. Muito mais atenção foi dada às medidas de ventilação e segurança quando os trabalhadores eram homens livres, como mostrado por escavações arqueológicas em Hallstatt, Áustria, onde túneis de minas de sal têm sido operados desde 2500ac.
Da Idade Média até o presente
Canal e túneis ferroviários
Como os túneis limitados na Idade Média eram principalmente para mineração e engenharia militar, o próximo grande avanço foi atender às crescentes necessidades de transporte da Europa no século 17. O primeiro de muitos túneis de canal principais foi o Canal du Midi (também conhecido como Languedoc) túnel na França, construído em 1666-81 por Pierre Riquet como parte do primeiro canal que liga o Atlântico ao Mediterrâneo. Com um comprimento de 515 pés e uma seção transversal de 22 por 27 pés, envolveu o que foi provavelmente o primeiro grande uso de explosivos em túneis de obras públicas, pólvora colocada em buracos feitos por brocas manuais de ferro. Um notável túnel de canal na Inglaterra foi o Bridgewater Canal Tunnel, construído em 1761 por James Brindley para transportar carvão da mina Worsley para Manchester. Muitos mais túneis de canal foram cavados na Europa e América do Norte no século XVIII e no início do século XIX. Embora os canais tenham caído em desuso com a introdução de ferrovias por volta de 1830, a nova forma de transporte produziu um grande aumento na construção de túneis, que continuou por quase 100 anos, à medida que as ferrovias se expandiam pelo mundo. Muitos dos túneis ferroviários pioneiros desenvolvidos na Inglaterra. Um túnel de 3,5 milhas (o Woodhead) da ferrovia Manchester-Sheffield (1839-1845) foi conduzido de cinco poços até 600 pés de profundidade. No Estados Unidos , o primeiro túnel ferroviário foi uma construção de 701 pés na ferrovia Allegheny Portage. Construído em 1831-33, era uma combinação de sistemas de canais e ferrovias, transportando barcaças de canais sobre um cume. Embora os planos para uma ligação de transporte de Boston ao rio Hudson tivessem primeiro previsto um túnel de canal para passar sob as montanhas de Berkshire, em 1855, quando o túnel Hoosac foi iniciado, as ferrovias já haviam estabelecido seu valor, e os planos foram alterados para um a ferrovia de via dupla tinha 24 por 22 pés e 4,5 milhas de comprimento. As estimativas iniciais contemplavam a conclusão em 3 anos; 21 foram realmente necessários, em parte porque a rocha se mostrou dura demais para perfurar manualmente ou para uma serra elétrica primitiva. Quando o estado de Massachusetts finalmente assumiu o projeto, ele o concluiu em 1876 a cinco vezes o custo originalmente estimado. Apesar das frustrações, o Túnel Hoosac contribuiu com avanços notáveis na construção de túneis, incluindo um dos primeiros usos da dinamite, o primeiro uso de disparos elétricos de explosivos e a introdução de furadeiras elétricas, inicialmente a vapor e depois a ar, a partir das quais finalmente se desenvolveu um ar comprimido indústria.
Simultaneamente, túneis ferroviários mais espetaculares estavam sendo iniciados através dos Alpes. O primeiro deles, o Túnel do Monte Cenis (também conhecido como Fréjus), levou 14 anos (1857 a 1871) para completar seu comprimento de 8,5 milhas. Seu engenheiro, Germain Sommeiller, introduziu muitas técnicas pioneiras, incluindo carrinhos de perfuração montados em trilhos, compressores de ar hidráulicos e campos de construção para trabalhadores completos com dormitórios, residências familiares, escolas, hospitais, um prédio de recreação e oficinas de reparo. Sommeiller também projetou uma broca de ar que eventualmente tornou possível mover o túnel adiante a uma taxa de 15 pés por dia e foi usada em vários túneis europeus posteriores até ser substituída por brocas mais duráveis desenvolvidas nos Estados Unidos por Simon Ingersoll e outros na Túnel Hoosac. Como este longo túnel foi conduzido a partir de duas direções separadas por 7,5 milhas de terreno montanhoso, as técnicas de levantamento tiveram que ser refinadas. A ventilação se tornou um grande problema, que foi resolvido com o uso de ar forçado de ventiladores movidos a água e um diafragma horizontal a meia altura, formando um duto de exaustão no topo do túnel. O Monte Cenis foi logo seguido por outros notáveis túneis ferroviários alpinos: o St. Gotthard (1872-82), de 9 milhas, que introduziu locomotivas de ar comprimido e sofreu grandes problemas com o influxo de água, rocha fraca e empreiteiros falidos; o Simplon de 12 milhas (1898–1906); e o Lötschberg de 9 milhas (1906–11), em uma continuação ao norte da linha férrea Simplon.
Quase 7.000 pés abaixo da crista da montanha, Simplon encontrou grandes problemas de rocha altamente estressada voando das paredes em explosões de rocha; alta pressão em xistos fracos e gesso, exigindo forro de alvenaria de 3 metros de espessura para resistir às tendências de intumescimento nas áreas locais; e de água em alta temperatura (130 ° F [54 ° C]), que foi parcialmente tratada por pulverização de fontes frias. Conduzir o Simplon como dois túneis paralelos com freqüentes conexões transversais ajudou consideravelmente a ventilação e drenagem.
Lötschberg foi o local de um grande desastre em 1908. Quando um título estava passando sob o vale do rio Kander, um fluxo repentino de água, cascalho e rocha quebrada encheu o túnel por um comprimento de 4.300 pés, enterrando toda a tripulação de 25 homens . Embora um painel geológico tivesse previsto que o túnel aqui seria em rocha sólida muito abaixo do fundo do aterro do vale, a investigação subsequente mostrou que a rocha estava a uma profundidade de 940 pés, de modo que a 590 pés o túnel batia no rio Kander, permitindo ele e o solo do vale se enchem para despejar no túnel, criando uma enorme depressão ou afundamento na superfície. Após esta lição sobre a necessidade de investigação geológica aprimorada, o túnel foi redirecionado cerca de uma milha (1,6 quilômetros) rio acima, onde cruzou com sucesso o Vale Kander em rocha sólida.
A maioria dos túneis de rocha de longa distância encontrou problemas com o influxo de água. Um dos mais notório foi o primeiro Tanna Tunnel japonês, dirigido através do Pico Takiji na década de 1920. Os engenheiros e equipes tiveram que lidar com uma longa sucessão de influxos extremamente grandes, o primeiro dos quais matou 16 homens e enterrou outros 17, que foram resgatados após sete dias de escavação de túneis nos escombros. Três anos depois, outro grande fluxo afogou vários trabalhadores. No final, os engenheiros japoneses encontraram o expediente de cavar um túnel de drenagem paralelo em toda a extensão do túnel principal. Além disso, eles recorreram ao ar comprimidotunelamento com escudoe air lock, uma técnica quase inédita em túneis em montanhas.
Túneis subaquáticos
A construção de túneis sob os rios era considerada impossível até que o escudo protetor foi desenvolvido na Inglaterra por Marc Brunel, um engenheiro emigrado francês. O primeiro uso do escudo, por Brunel e seu filho Isambard, foi em 1825 no Túnel Wapping-Rotherhithe através da argila sob o rio Tâmisa. O túnel era de seção em ferradura 221/4por 371/doispés e forrados de tijolos. Depois de várias inundações de bolsões de areia e uma paralisação de sete anos para refinanciamento e construção de um segundo escudo, os Brunels conseguiram completar o primeiro túnel subaquático verdadeiro do mundo em 1841, essencialmente nove anos de trabalho para um túnel de 1.200 pés de comprimento. Em 1869, reduzindo a um tamanho pequeno (8 pés) e mudando para um escudo circular mais um forro de segmentos de ferro fundido, Peter W. Barlow e seu engenheiro de campo, James Henry Greathead, foram capazes de completar um segundo túnel do Tâmisa em apenas um ano como uma passarela de pedestres de Tower Hill. Em 1874, Greathead tornou a técnica subaquática realmente prática, refinando e mecanizando o escudo de Brunel-Barlow e adicionando pressão de ar comprimido dentro do túnel para conter a pressão externa da água. O ar comprimido sozinho foi usado para conter a água em 1880 em uma primeira tentativa de construir um túnel sob o rio Hudson em Nova York; grandes dificuldades e a perda de 20 vidas forçaram o abandono depois de apenas 1.600 pés terem sido escavados. A primeira grande aplicação da técnica de escudo mais ar comprimido ocorreu em 1886 no metrô de Londres com um calibre de 11 pés, onde alcançou o recorde inédito de sete milhas de túneis sem uma única fatalidade. Greathead desenvolveu seu procedimento de forma tão completa que foi usado com sucesso pelos 75 anos seguintes, sem nenhuma mudança significativa. Um escudo Greathead moderno ilustra seus desenvolvimentos originais: mineiros trabalhando sob um capô em pequenos bolsos individuais que podem ser rapidamente fechados contra o influxo; escudo impulsionado por macacos; segmentos de revestimento permanentes erguidos sob a proteção da cauda do escudo; e todo o túnel pressurizado para resistir ao influxo de água.
Uma vez que os túneis subaquáticos se tornaram práticos, muitas ferrovias e metrô cruzamentos foram construídos com o escudo Greathead, e a técnica mais tarde provou ser adaptável para túneis muito maiores necessários para automóveis. Um novo problema, gases nocivos de motores de combustão interna, foi resolvido com sucesso por Clifford Holland para o primeiro túnel veicular do mundo, concluído em 1927 sob o rio Hudson e agora com seu nome. Holland e seu engenheiro-chefe, Ole Singstad, resolveram o problema de ventilação com ventiladores de grande capacidade na ventilação de prédios em cada extremidade, forçando o ar por um duto de abastecimento abaixo da estrada, com um duto de exaustão acima do teto. Tais provisões de ventilação aumentaram significativamente o tamanho do túnel, exigindo cerca de um diâmetro de 30 pés para um túnel veicular de duas pistas.
Muitos túneis veiculares semelhantes foram construídos por métodos de escudo e ar comprimido - incluindo os túneis Lincoln e Queens em Nova York, Sumner e Callahan em Boston e Mersey em Liverpool. Desde 1950, no entanto, a maioria dos tunelizadores subaquáticos preferiu o método de tubo imerso, no qual longas seções de tubo são pré-fabricadas, rebocadas para o local, afundadas em uma vala previamente dragada, conectadas a seções já instaladas e, então, cobertas com aterro. Este procedimento básico foi usado pela primeira vez em sua forma atual no Detroit River Railroad Tunnel entre Detroit e Windsor, Ontario (1906–10). Uma das principais vantagens é evitar altos custos e os riscos de operar um escudo sob alta pressão de ar, uma vez que o trabalho dentro do tubo afundado é feito à pressão atmosférica (ar livre).
Túneis minerados por máquina
Tentativas esporádicas de realizar o sonho do engenheiro de túnel de uma escavadeira rotativa mecânica culminaram em 1954 na barragem de Oahe no rio Missouri perto de Pierre, em Dakota do Sul. Com as condições do solo sendo favoráveis (um xisto de argila prontamente cortável), o sucesso resultou de um esforço da equipe: Jerome O. Ackerman como engenheiro-chefe, F.K. Mittry como contratante inicial e James S. Robbins como construtor da primeira máquina - a Mittry Mole. Contratos posteriores desenvolveram três outras toupeiras do tipo Oahe, de modo que todos os vários túneis aqui foram minados por máquina - totalizando 13 quilômetros de diâmetro de 25 a 30 pés. Estes foram os primeiros moles modernos que, desde 1960, foram rapidamente adotados para muitos dos túneis do mundo como um meio de aumentar as velocidades da faixa anterior de 25 a 50 pés por dia para uma faixa de várias centenas de pés por dia. A toupeira Oahe foi parcialmente inspirada pelo trabalho em um túnel piloto em giz iniciado sob o canal inglês para o qual um braço de corte rotativo movido a ar, a broca Beaumont, foi inventado. Seguiu-se uma versão de mineração de carvão de 1947 e, em 1949, uma serra de carvão foi usada para abrir uma fenda circunferencial em giz para túneis de 33 pés de diâmetro em Fort Randall Dam em South Dakota. Em 1962, um avanço comparável para a escavação mais difícil de poços verticais foi alcançado no desenvolvimento americano da broca de elevação mecânica, lucrando com os testes anteriores na Alemanha.
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