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Fundo

Um túnel é uma passagem subterrânea ou subaquática que é principalmente horizontal. Os de diâmetro relativamente pequeno transportam linhas utilitárias ou funcionam como gasodutos. Os túneis que transportam pessoas por via férrea ou por automóvel muitas vezes compreendem duas ou três grandes passagens paralelas para tráfego em sentido oposto, veículos de serviço e vias de saída de emergência.

O túnel mais longo do mundo transporta 105 milhas (170 km) de água do Rio Delaware para Nova York. O túnel mais longo para o transporte de pessoas é o Túnel Ferroviário Seikan. É uma ligação ferroviária de 33 milhas (53 km) de comprimento, 32 pés (9,7 m) de diâmetro entre as duas maiores ilhas do Japão, Honshu e Hokkaido.

Um dos túneis mais previstos era o Túnel do Canal da Mancha. Concluído em 1994, este túnel liga a Grã-Bretanha à Europa através de três túneis de 31 km de comprimento (dois túneis de um só sentido e um de serviço). Vinte e três milhas (37 km) deste túnel estão debaixo de água.

História

Os túneis foram construídos à mão por várias civilizações antigas nas regiões da Índia e do Mediterrâneo. Além de ferramentas de escavação e serras de pedra de cobre, o fogo era por vezes utilizado para aquecer uma obstrução rochosa antes de a abrigar com água para a separar. O método de corte e cobertura – cavar uma vala profunda, construir um telhado a uma altura apropriada dentro da vala e cobrir a vala acima do telhado (uma técnica de túnel ainda hoje utilizada) – foi utilizado na Babilónia há 4.000 anos.

O primeiro avanço além da escavação manual foi o uso de pólvora para explodir um túnel de canal de 515 pés (160 m) de comprimento na França em 1681. Os dois grandes avanços seguintes vieram por volta de 1850. A nitroglicerina (estabilizada sob a forma de dinamite) substituiu a pólvora negra menos potente na explosão do túnel. O vapor e o ar comprimido foram usados para alimentar as perfuradoras e criar furos para as cargas explosivas. Esta mecanização acabou por substituir o processo manual tornado famoso por John Henry, o “condutor de aço”, que balançou um martelo de marreta de 10 lb (4,4-kg) com cada mão durante 12 horas por dia, esmagando cinzéis de aço de até 4,2 m (14 pés) de profundidade em rocha sólida.

Entre 1820 e 1865, os engenheiros britânicos Marc Brunel e James Greathead desenvolveram vários modelos de um escudo de escavação que lhes permitiu construir dois túneis sob o rio Tamisa. Um recinto rectangular ou circular (o escudo) foi dividido horizontalmente e verticalmente em vários compartimentos. Um homem trabalhando em cada compartimento podia remover uma tábua de cada vez da face do escudo, cavar à frente alguns centímetros, e substituir a tábua. Quando o espaço tinha sido cavado longe de toda a superfície frontal, o escudo foi empurrado para a frente e o processo de escavação foi repetido. Os trabalhadores na parte de trás do escudo revestiam o túnel com tijolos ou anéis de ferro fundido.

Em 1873, o tunelador americano Clinton Haskins impediu a infiltração de água em um túnel ferroviário em construção abaixo do rio Hudson, enchendo-o com ar comprimido. A técnica é ainda hoje utilizada, embora apresente vários perigos. Os trabalhadores devem passar tempo em câmaras de descompressão no final do seu turno – uma exigência que limita as saídas de emergência do túnel. A pressão dentro do túnel deve ser cuidadosamente equilibrada com a pressão da terra e da água ao redor; um desequilíbrio faz com que o túnel colapse ou rebente (o que posteriormente permite a inundação).

O solo mole é propenso ao colapso e pode entupir o equipamento de escavação. Uma maneira de estabilizar o solo é congelá-lo através da circulação de líquido refrigerante através de tubulações embutidas em intervalos em toda a área. Esta técnica tem sido utilizada nos Estados Unidos desde o início do século XIX. Outra técnica de estabilização e impermeabilização – amplamente utilizada desde os anos 70 – é injetar argamassa (agente de ligação líquida) no solo ou rocha fraturada ao redor do percurso do túnel.

O betão projectado é um betão líquido que é projectado sobre superfícies. Inventado em 1907, tem sido utilizado como revestimento preliminar e final de túneis desde os anos 20.

Em 1931, os primeiros jumbos de perfuração foram concebidos para cavar túneis que desviariam o Rio Colorado em torno do local de construção da Barragem de Hoover. Estes jumbos consistiam em 24-30 brocas pneumáticas montadas numa estrutura soldada ao leito de um camião. Os jumbos modernos permitem a um único operador controlar várias brocas montadas em braços controlados hidraulicamente. Em 1954, enquanto construía os túneis de desvio para a construção de uma barragem no Dakota do Sul, James Robbins inventou a perfuradora de túneis (TBM), um dispositivo cilíndrico com cabeças de escavação ou corte montadas numa face frontal rotativa que tritura rochas e solo à medida que a máquina se desloca para a frente. Os TBMs modernos são customizados para cada projeto, combinando os tipos e arranjos dos cabeçotes de corte com a geologia do local; também, o diâmetro do TBM deve ser igual ao diâmetro do túnel projetado (incluindo seu revestimento).

Matérias-primas

Os materiais utilizados nos túneis variam com o projeto e os métodos de construção escolhidos para cada projeto. As argamassas usadas para estabilizar o solo ou preencher vazios atrás do revestimento do túnel podem conter vários materiais, incluindo silicato de sódio, cal, fumo de sílica, cimento e bentonita (uma argila vulcânica altamente absorvente). A bentonita e a lama de água também é usada como suspensão e meio de transporte para a lama (detritos escavados do túnel) e como lubrificante para objectos a serem empurrados através do túnel (por exemplo, TBMs, escudos). A água é utilizada para controlar a poeira durante a perfuração e após a explosão, que é muitas vezes feita com um explosivo gelatinoso de baixa congelação. A água e o sal em salmoura ou nitrogênio líquido são refrigerantes comuns para estabilizar o solo macio através do congelamento. O material de revestimento moderno mais comum, concreto reforçado com aço ou fibra, pode ser pulverizado, moldado no local ou pré-fabricado em painéis.

Escolha do método

O método de construção de um túnel é determinado por vários fatores, incluindo geologia, custo e potencial interrupção de outras atividades. Métodos diferentes podem ser usados em túneis individuais que fazem parte de um mesmo projeto maior; por exemplo, quatro métodos separados estão sendo usados em partes do projeto da Artéria Central/Túnel de Boston.

O Processo de Fabricação

Preparação

• 1 A geologia do local é avaliada através do exame das características da superfície e amostras do núcleo de subsuperfície. Um túnel piloto com cerca de um terço do diâmetro do túnel principal planejado pode ser construído ao longo de todo o percurso para avaliar melhor a geologia e para testar o método de construção selecionado. O túnel piloto pode correr ao longo do percurso do túnel principal e eventualmente ser ligado a ele em intervalos para fornecer ventilação, acesso de serviço e uma rota de fuga. Ou o túnel piloto pode ser ampliado para produzir o túnel principal.
• 2 Se a estabilização do solo for necessária, ela pode ser feita injetando argamassa através de pequenos tubos colocados no solo em intervalos. Alternativamente, um refrigerante pode circular através de tubos embutidos no solo para congelar o solo.

Mineração

• 3 Existem sete métodos diferentes usados para remover o material do caminho do túnel. O primeiro é o método do tubo imerso. Os trabalhadores preparam um local do túnel submerso escavando uma vala no fundo da via navegável. As seções de aço ou concreto armado do revestimento do túnel são construídas em terra firme. Cada secção pode ter várias centenas de metros (100 m ou mais) de comprimento. As extremidades da secção são seladas e a secção é flutuada até ao local do túnel. A seção é amarrada a âncoras adjacentes à vala, e os tanques de lastro construídos na seção são inundados. À medida que a seção afunda, ela é guiada até o local da trincheira. A secção é ligada à secção adjacente, previamente colocada, e são removidas as placas de selagem que se encontram na extremidade de cada secção. Uma vedação de borracha entre as duas secções assegura uma ligação estanque.

  No método de corte e revestimento, os trabalhadores cavam uma vala suficientemente grande para conter o túnel e a sua cobertura. Um tubo em forma de caixa é construído, muitas vezes por fundição no local de betão armado. Em certos tipos de solo ou na proximidade de outras estruturas, podem ser construídas paredes de túnel antes do início da escavação, a fim de evitar o colapso da vala durante a escavação. Isto pode ser feito conduzindo chapas de aço para o solo ou construindo uma parede de cimento pastoso (uma vala profunda que é enchida com argila aquosa à medida que a sujidade é removida). Quando se atinge o tamanho desejado para uma seção da parede, uma gaiola de barras de reforço de aço é baixada para dentro dela e o concreto é bombeado para deslocar o slurry de argila úmida. À medida que a escavação avança o suficiente para que as máquinas de escavação fiquem abaixo do nível, podem ser colocados painéis de superfície temporários ao longo da vala para permitir que o tráfego se desloque através dela. Quando o revestimento do túnel estiver concluído, ele é coberto pela substituição do solo escavado.

  O terceiro método é o método de cima para baixo. Um par de paredes paralelas é embutido no solo ao longo do percurso do túnel, conduzindo estacas de chapa de aço ou construindo paredes de lama. Uma vala é cavada entre as paredes a uma profundidade igual à distância planejada da superfície até o interior do túnel. O telhado do túnel é formado entre as paredes através do enquadramento e da colocação de betão armado no fundo da vala rasa. Depois de curado, o telhado do túnel é coberto com uma membrana impermeabilizante e o solo escavado é substituído acima dele. Máquinas convencionais de escavação, como uma carregadeira frontal, são utilizadas para cavar o solo entre as paredes do diafragma e sob o telhado do túnel. Quando se atinge profundidade suficiente, um piso de concreto armado é derramado para completar a cobertura do túnel.

  Com o método de perfuração e explosão é usado um jumbo de perfuração para perfurar um padrão pré-determinado de furos na rocha ao longo do caminho do túnel. Cargas cuidadosamente planeadas de dinamite são inseridas nos furos perfurados. As cargas são detonadas numa sequência concebida para quebrar o material do caminho do túnel sem danificar indevidamente a rocha circundante. O ar é circulado através da área de explosão para remover gases de explosão e poeira. O entulho deslocado pela explosão é içado para longe. Brocas pneumáticas e ferramentas manuais são usadas para alisar a superfície da seção jateada e remover pedaços soltos de rocha.

  

  O Eurotúnel.

  A construção do túnel do Canal da Mancha entre a Inglaterra e a França, um sonho há séculos visionado e encorajado por Napoleão, foi iniciada em 1987. Originalmente referido como o Chunnel e agora conhecido como Eurotúnel, foi concluído em 1994 com um custo de 13 bilhões de dólares. Os dois túneis ferroviários (um para o norte e outro para o sul) e um túnel de serviço têm cada um 31 milhas (50 km) de comprimento e têm uma profundidade média de 150 pés (46 m) sob o fundo do mar. É a primeira ligação física entre a Grã-Bretanha e o continente europeu. É prestado o serviço ferroviário de passageiros, bem como o transbordo de automóveis e camiões. O tempo de viagem de Londres a Paris foi reduzido de mais de cinco horas (por mar) para três horas através do Eurotúnel.

  O Túnel Seikan no Japão foi colocado em serviço em 1988. O túnel de 33mi-(53km-)de comprimento liga a ponta norte da ilha principal do Japão, Honshu, com a ilha de Hokkaido, passando por baixo do estreito de Tsugaru. O Túnel Seikan é o túnel submarino mais longo do mundo, envolvendo escavação de 330 pés (100 m) abaixo do fundo do mar através de um estreito onde o mar tem até 460 pés (140 m) de profundidade.

  É normalmente necessário estabilizar e reforçar a superfície do novo troço com um revestimento preliminar. Uma técnica envolve a inserção de uma série de costelas de aço ligadas por meio de suportes de madeira ou de aço. Outra técnica, chamada o novo método de tunelamento austríaco (NATM), envolve a pulverização da superfície com alguns centímetros (vários centímetros) de concreto. Em condições geológicas apropriadas,

  

  Túnel de blindagem.

  este revestimento de “concreto projetado” pode ser complementado com a inserção de hastes longas de aço (parafusos de pedra) na rocha e o aperto de porcas contra placas de aço ao redor da cabeça de cada parafuso.

  Um quinto método para remover material do túnel é o método de condução de blindagem ou de elevação do túnel. Alguns túneis ainda são cavados usando um escudo ao estilo Greathead. A parte superior do escudo estende-se para além das laterais e inferior, proporcionando um telhado de protecção para os trabalhadores que escavam antes do escudo. A borda de ataque do topo do escudo é afiada para que possa cortar o solo. A escavação pode ser feita à mão ou com ferramentas eléctricas. O material em excesso é passado de volta através do escudo em uma esteira ou correia, carregado em carrinhos, e rebocado para fora do túnel. Quando os trabalhadores tiverem cavado o material em frente do escudo até o topo, os macacos na parte de trás do escudo são apoiados contra a secção mais recentemente instalada do revestimento do túnel. A ativação dos macacos empurra o escudo para a frente para que os trabalhadores possam começar a cavar outra seção. Após o escudo ter avançado, os macacos são retraídos, e segmentos de anéis de aço ou concreto armado são aparafusados para formar uma seção de revestimento permanente para o túnel.

  A elevação do túnel é uma técnica semelhante, mas o escudo a ser conduzido através do solo é na verdade uma secção pré-fabricada de revestimento do túnel.

  No método de deriva paralela uma série de furos paralelos e horizontais (derivações) são perfurados usando microtúneis (os microtúneis são muito pequenos para os mineiros humanos trabalharem dentro deles) como brocas ou pequenas versões de TMBs. Estas derivações são preenchidas; por exemplo, tubos de aço podem ser acionados neles e, em seguida, os tubos embalados com argamassa. As derivações preenchidas formam um arco de proteção ao redor do caminho do túnel. As máquinas de escavação são usadas para remover o solo do interior do arco.

  O método final é o método da máquina de perfuração do túnel. Os tipos e disposição dos dispositivos de corte na face do TBM são determinados pela geologia no local do túnel. A face gira lentamente e esmerilha a rocha e o solo à sua frente (por exemplo, os TBMs usados para construir o Túnel do Canal podem girar até 12 rotações por minuto em solo ideal). O TBM é constantemente empurrado para a frente para manter a face em contato com seu alvo. A pressão para a frente pode ser exercida por macacos na parte de trás do TBM empurrando contra a seção mais recentemente instalada do revestimento do túnel. Alternativamente, os braços das garras podem se estender para fora dos lados do TBM e empurrar contra as paredes rochosas do túnel para manter a máquina no lugar enquanto a face é empurrada para frente. A lama é passada através de furos na face e transportada por esteira transportadora até a parte traseira do TBM, onde cai em carrinhos que a transportam para fora do túnel. A bentonita pode ser bombeada através da face do TBM para tornar a superfície do solo mais funcional e para transportar o lodo. Alguns TBMs estão equipados na traseira com braços robóticos que posicionam e fixam segmentos de revestimento do túnel assim que a máquina avança

  

  Parafusos do telhado de aço são fixados à rocha para suportar o topo do túnel.

  uma distância suficiente. Em outros casos, o NATM é utilizado para criar um revestimento preliminar à medida que o TBM avança.

  Especialmente nos casos em que dois TBMs cavam em direção um ao outro de extremidades opostas de um túnel, pode ser muito difícil ou caro removê-los quando a escavação for concluída. Ao se aproximar do final de sua missão, o TBM pode ser desviado do caminho do túnel para cavar um esporão curto no qual ele é permanentemente selado.

Revestimento final

• 4 Em alguns casos, o revestimento final é colocado durante o processo de escavação. Dois exemplos são os TBMs que instalam segmentos de revestimento e túneis pré-fabricados que são encaixados no local. Em outros casos, um revestimento final deve ser construído depois de todo o túnel ser escavado. Uma opção é colocar um revestimento de concreto armado no local. O escorregamento é uma técnica eficiente na qual uma seção da forma é lentamente movida para frente à medida que o concreto é despejado entre ele e a parede do túnel; o concreto endurece suficientemente rápido para se sustentar no momento em que a forma se move.

  Uma segunda opção é instalar segmentos de concreto pré-formado ou revestimento de aço, assim como alguns TBMs fazem. Os segmentos de revestimento são construídos de modo que vários deles possam ser unidos para formar um anel completo com alguns metros (um metro ou dois) de largura. Uma vez que um anel tenha sido aparafusado no lugar, a argamassa é injetada entre ele e a parede do túnel.

  Uma terceira opção é pulverizar uma camada de concreto projetado de várias polegadas (70 mm ou mais) de espessura sobre as paredes do túnel. Uma ou duas camadas de tela metálica podem ser colocadas primeiro para reforçar o concreto projetado, ou podem ser adicionadas fibras de reforço à mistura de concreto para aumentar sua resistência.

Subprodutos/Resíduos

Às vezes a terra removida de um túnel é simplesmente descartada em um aterro. Em outros casos, porém, ela se torna matéria-prima para outros projetos. Por exemplo, ela pode ser usada para formar a camada de base de uma estrada de aproximação ou para criar aterros para ombros mais largos ou controle de erosão.

Controle de Qualidade

Além de manter a estabilidade do solo ao redor do túnel e garantir a integridade estrutural do revestimento do túnel, deve-se conseguir um alinhamento adequado do caminho de escavação. Duas ferramentas valiosas são os sensores do sistema de posicionamento global (GPS) que recebem dados de localização precisos através de sinais de satélite e sistemas de orientação que projetam e detectam um feixe de laser dentro do túnel.

O Futuro

Métodos de exploração, materiais e maquinaria são possíveis áreas de melhoria. As ondas sonoras transmitidas através da terra podem agora gerar uma varredura CAT virtual do percurso do túnel, reduzindo a necessidade de perfurar amostras do núcleo e túneis piloto. Alguns exemplos de pesquisa de materiais envolvem ferramentas de corte que são mais eficazes e duráveis, concreto com taxas de endurecimento mais precisamente controladas, e melhores processos de modificação do solo para facilitar o corte, escavação ou remoção. Desenvolvimentos recentes na tecnologia de máquinas incluem TBMs de múltiplas cabeças que podem perfurar dois ou três túneis paralelos simultaneamente e uma TBM que pode virar uma esquina até 90° enquanto corta. Melhores capacidades de controle remoto para máquinas de escavação melhorariam a segurança, reduzindo o tempo que as pessoas têm que ficar no subsolo durante o processo de escavação.