A GEOTECNIA NA CONCEPÇÃO, PROJECTO E EXECUÇÃO DE TÚNEIS EM

UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO

A GEOTECNIA NA CONCEPÇÃO, PROJECTO E EXECUÇÃO DE TÚNEIS EM MACIÇOS ROCHOSOS

Mário José Nascimento Bastos (Licenciado)

Dissertação para obtenção do grau de

Mestre em Georrecursos – Área de Geotecnia

Orientador: Carlos A. J. V. Dinis da Gama (Professor Catedrático, IST, UTL) Co-Orientador: José J. R. Delgado Muralha (Doutor, Investigador Auxiliar do LNEC)

JÚRI Carlos A. J. V. Dinis da Gama (Professor Catedrático, IST, UTL) António Diogo Pinto (Professor Associado com Agregação, IST, UTL) José E. T. Quintanilha de Menezes (Professor Auxiliar, FE, UP) José J. R. Delgado Muralha (Doutor, Investigador Auxiliar do LNEC)

JUNHO DE 1998

aos meus pais . . .

“A Ciência permanecerá sempre a satisfação do desejo mais alto da nossa natureza, a curiosidade; fornecerá sempre ao Homem o único meio que ele possui de melhorar a própria sorte”. Renan, O Futuro da Ciência.

A GEOTECNIA NA CONCEPÇÃO, PROJECTO E EXECUÇÃO DE TÚNEIS EM MACIÇOS ROCHOSOS

RESUMO O presente trabalho aborda a diversidade de contribuições da geotecnia para a engenharia de obras subterrâneas, com especial destaque para a sua concepção, projecto e execução. São focados os principais aspectos da prospecção geotécnica, no que se refere às técnicas e aplicações. São abordados, igualmente, os aspectos geotécnicos relacionados com o Projecto de uma obra subterrânea, bem como os diferentes critérios de escavabilidade de maciços rochosos e métodos de escavação. Referem-se as opções e critérios de dimensionamento dos suportes. É dado especial realce às técnicas e equipamentos de observação e instrumentação de túneis, e a sua importância no controlo de uma escavação subterrânea, bem como aspectos relacionados com a segurança e salubridade, de forma a atingir a pretendida qualidade da obra. Uma vez tratados estes conceitos, é feita a descrição do acompanhamento geotécnico da abertura de túneis de um interceptor localizado nos arredores de Lisboa, acompanhamento esse que permitiu validar e aperfeiçoar as soluções de projecto, com a intervenção da geotecnia a nível da escavabilidade, da monitorização da estabilidade, do suporte primário e do revestimento definitivo.

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GEOTECHNICS IN THE CONCEPTION, DESIGN AND CONSTRUCTION OF TUNNELS IN ROCK MASSES

ABSTRACT The work deals with the diversity of geotechnical contributions to the Engineering of Underground Workings, with special reference to their conception, design and execution. The most relevant aspects of geotechnical prospecting activities, involving techniques and applications, are described. Further geotechnical contributions to the design phase are emphasised, covering not only excavation methods and excavability of rock masses, but also support assessment criteria. Particular importance is ascribed to the utilisation of geotechnical monitoring systems for the control of tunnel stability, as well as to contributions for health and safety of human labour, in order to reach the desired quality of these workings. A description of the geotechnical assistance to a long tunnel recently built in the vicinity of Lisbon is provided, which has validated and improved design solutions, in the domains of excavability, stability monitoring, primary support and permanent lining.

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PALAVRAS CHAVE Túneis Geotecnia Geomecânica Concepção Projecto Execução Constrangimentos

KEY WORDS Tunnels Geotechnics Geomechanics Conception Design Construction Constraints

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AGRADECIMENTOS Quando se realiza um trabalho desta índole, apercebemo-nos da importância concreta de quem nos apoia, a todos os níveis. À JNICT - Junta Nacional de Investigação Científica e Tecnológica, pela bolsa conferida nestes dois anos de mestrado. À Administração da SANEST S.A., que me permitiu o estudo e acompanhamento da construção dos túneis do Interceptor Jamor-Laje (2ª Fase). À Administração e técnicos da HIDROPROJECTO S.A. e da HIDROMINEIRA, Lda, pela disponibilização de meios humanos e materiais, bem como pela importante colaboração prestada, nomeadamente ao Prof. C. Dinis da Gama (HIDROMINEIRA) e ao Engº Garrido Baptista (HIDROPROJECTO), bem como ao Engº José Emílio da Silva (CONSULMAR) e a toda a equipa da Assessoria Técnica à SANEST S.A.. Aos técnicos envolvidos na obra em estudo, nomeadamente o Sr. José Paiva (FBO), Dra. Filomena Gonçalves (CÊGÊ) e Engº Paulo Cerqueira (EPOS), pela disponibilização de dados e pelas informações específicas relativas às suas actividades. Aos docentes e funcionários do Departamento de Engenharia de Minas do Instituto Superior Técnico, nomeadamente a Profª Matilde Costa e Silva e o Prof. Rui Couto, pelo seu apoio e encorajamento. Aos meus colegas e amigos, Engª Patrícia Falé e Costa, Engº Pedro Bernardo e Engº Humberto Guerreiro pelos constantes incitamentos e valiosos auxílios, e pela amizade que me demonstraram no decorrer deste projecto. À minha colega e amiga Engª Alexandra Borges, a quem muito fico a dever, pelo apoio e amizade e pela inestimável ajuda e pareceres técnicos. Ao meu co-orientador, Engº José Muralha (LNEC), pelo precioso auxílio e orientação, tanto nos seus pareceres e conselhos como na gentil cedência dos seus elementos técnicos. Ao meu orientador, Prof. Carlos Dinis da Gama, cuja colaboração, apoio técnico e humano, orientação e empenho foram inexcedíveis. A ter valor, este trabalho deve-o fundamentalmente a ele. Aos meus amigos e à minha família, principalmente aos meus pais, que suportaram incansavelmente esta minha fase de alheamento, auxiliando-me e apoiando-me em tudo o que necessitei. Os agradecimentos nominais têm o inconveniente de não incluírem todos os que colaboram, sob o risco de tornarem este elemento numa longa e fastidiosa lista. Se estes agradecimentos omitiram alguém, trata-se apenas um lapso no papel, o autor tem bem presente o apoio e as valiosas contribuições de todos vós.

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ÍNDICE GERAL

ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................................1 1.1. PREÂMBULO .......................................................................................................................1 1.2. CONTEÚDO DO TRABALHO.............................................................................................2 2. PROSPECÇÃO E CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA...........................................................4 2.1. PLANEAMENTO E MÉTODOS DE PROSPECÇÃO .........................................................4 2.1.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS .............................................................................................4 2.1.2. RECONHECIMENTO PRELIMINAR ..................................................................................6 2.1.3. PROSPECÇÃO DE CAMPO...............................................................................................8 2.1.4. CARACTERIZAÇÃO COMPLEMENTAR..........................................................................12 2.2. RELATÓRIO GEOTÉCNICO.............................................................................................15 2.2.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS ...........................................................................................15 2.2.2. CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DO TERRENO ..........................................................15 2.2.3. AVALIAÇÃO DOS CONDICIONALISMOS GEOTÉCNICOS ...............................................20 2.3. CARACTERIZAÇÃO SISTEMÁTICA “IN SITU”............................................................21 3. CONSIDERAÇÕES AO PROJECTO DE ENGENHARIA EM TÚNEIS..................................25 3.1. FASES DE PROJECTO.......................................................................................................25 3.1.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS ...........................................................................................25 3.1.2. ESTUDO PRÉVIO .........................................................................................................28 3.1.3. PROJECTO BASE .........................................................................................................29 3.1.4. PROJECTO DE EXECUÇÃO ...........................................................................................30 3.2. CONSTRANGIMENTOS AO PROJECTO ........................................................................32 3.3. CONSTRANGIMENTOS NA EXECUÇÃO ......................................................................33 4. ESCAVAÇÃO EM MACIÇOS ROCHOSOS.............................................................................35 4.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS .............................................................................................35 4.2. CRITÉRIOS DE ESCAVABILIDADE ...............................................................................36 4.2.1. DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS CRITÉRIOS DE ESCAVABILIDADE...................................36 4.2.1.1. Introdução ........................................................................................................36 4.2.1.2. Método de Franklin et al..................................................................................38 4.2.1.3. Método de Kirsten ...........................................................................................39 4.3. MÉTODOS DE ESCAVAÇÃO ...........................................................................................40 4.3.1. CONDICIONALISMOS NA SELECÇÃO DO MÉTODO DE ESCAVAÇÃO .............................40 4.3.2. ESCAVAÇÃO COM EXPLOSIVOS ..................................................................................43 4.3.2.1. Condicionantes Gerais .....................................................................................43 4.3.2.2. Utilização de Explosivos .................................................................................44 4.3.2.3. Danos Causados ao Maciço .............................................................................47 4.3.2.4. Segurança e Manuseamento de Explosivos .....................................................49 4.3.3. ESCAVAÇÃO MECÂNICA ............................................................................................52 5. SUPORTE DE MACIÇOS ROCHOSOS ....................................................................................55 5.1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................................55 5.2. MÉTODOS DE SUPORTE PRIMÁRIO .............................................................................59 5.2.1. DIMENSIONAMENTO DE SUPORTES .............................................................................59 5.2.1.1. Considerações Gerais.......................................................................................59 5.2.1.2. Classificações Geomecânicas ..........................................................................60 5.2.1.3. Curvas de Resposta do Terreno .......................................................................68 5.2.1.4. Métodos Computacionais ................................................................................72 5.2.2. CONSIDERAÇÕES SOBRE OS TIPOS DE SUPORTE PRIMÁRIO .........................................73 5.3. CONSIDERAÇÕES SOBRE O SUPORTE SECUNDÁRIO..............................................76

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ÍNDICE GERAL

5.4. ASPECTOS CONSTRUTIVOS – O NOVO MÉTODO AUSTRÍACO .............................78 6. OBSERVAÇÃO E QUALIDADE DA OBRA............................................................................81 6.1. PLANEAMENTO E ORGANIZAÇÃO ..............................................................................81 6.2. INSTRUMENTAÇÃO DOS TRABALHOS .......................................................................82 6.2.1. OBJECTIVOS DA INSTRUMENTAÇÃO ...........................................................................82 6.2.2. MEDIÇÕES E EQUIPAMENTOS DE AUSCULTAÇÃO .......................................................85 6.2.3. PRINCIPAIS ACTIVIDADES DE OBSERVAÇÃO GEOTÉCNICA .........................................87 6.2.3.1. Cartografia Geotécnica ....................................................................................87 6.2.3.2. Medição de Convergências..............................................................................88 6.2.3.3. Amostragem e Monitorização dos Elementos de Suporte ...............................90 6.3. CONTROLO DE IMPACTES .............................................................................................90 6.3.1. VIBRAÇÕES RESULTANTES DE DETONAÇÕES .............................................................90 6.3.2. RUÍDO RESULTANTE DE DETONAÇÕES .......................................................................93 6.3.3. ASSENTAMENTOS SUPERFICIAIS.................................................................................95 6.3.4. OUTROS IMPACTES .....................................................................................................96 6.4. SEGURANÇA E SALUBRIDADE .....................................................................................97 6.5. ASSESSORIA GEOTÉCNICA ...........................................................................................99 6.6. CONTROLO DE QUALIDADE DA OBRA.....................................................................100 6.6.1. ASPECTOS TÉCNICOS DO CONTROLO DE QUALIDADE ...............................................100 6.6.2. CONDICIONALISMOS NA QUALIDADE DA OBRA........................................................101 6.7. RELATÓRIO DE EXECUÇÃO DE TÚNEIS...................................................................103 7. ESTUDO DOS TÚNEIS DO INTERCEPTOR JAMOR-LAJE (2º FASE) ..............................105 7.1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................105 7.2. DESCRIÇÃO DOS TRABALHOS DE PROSPECÇÃO ..................................................109 7.3. DESCRIÇÃO DO PROJECTO..........................................................................................116 7.4. FISCALIZAÇÃO DA OBRA ............................................................................................119 7.5. ASSESSORIA TÉCNICA AO DONO DE OBRA ............................................................120 7.6. ESCAVAÇÃO DOS MACIÇOS .......................................................................................121 7.6.1. MÉTODOS DE ESCAVAÇÃO .......................................................................................121 7.6.2. CARREGAMENTO, TRANSPORTE E DEPOSIÇÃO DE ESCOMBROS ...............................127 7.6.3. OPERAÇÕES ACESSÓRIAS .........................................................................................129 7.7. SUPORTE DOS TÚNEIS ..................................................................................................130 7.7.1. SUPORTE PRIMÁRIO DOS TÚNEIS E DAS FRENTES .....................................................130 7.7.2. REDIMENSIONAMENTO DO REVESTIMENTO FINAL ...................................................133 7.8. DESEMPENHO E QUALIDADE FINAL DA OBRA......................................................134 7.8.1. MONITORIZAÇÃO E ACOMPANHAMENTO DA OBRA ..................................................134 7.8.1.1. Descrição Geral..............................................................................................134 7.8.1.2. Controlo da Influência sobre o Meio .............................................................135 7.8.2. SEGURANÇA E SALUBRIDADE...................................................................................140 7.9. CONCLUSÕES..................................................................................................................141 8. CONSIDERAÇÕES FINAIS.....................................................................................................142 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................143

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ÍNDICE DE FIGURAS

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 - Fases de caracterização geotécnica de uma obra subterrânea (adaptado de Galera Fernández[58], 1997). ...........................................................................................5 Figura 2 - Fluxograma das actividades de prospecção, projecto e execução. .................................19 Figura 3 - Túnel piloto na escavação de uma obra subterrânea (adaptado de AFTES[1], 1996)............................................................................................................24 Figura 4 - Fluxograma das etapas de projecto em obras públicas (baseado em Porto Editora[142], 1995). ........................................................................................................27 Figura 5 - Classificação da escavabilidade de maciços rochosos, segundo Franklin et al. (adaptado de Franklin et al, 1971, in López Jimeno e Díaz Méndez [98], 1997).............................................................................................................................38 Figura 6 - Vários métodos de desmonte em secções parciais (baseado em Juncà Ubierta[87], 1997 e Pereira[135], 1996). ...........................................................................42 Figura 7 - Jumbo hidráulico de três braços para perfuração em subterrâneo (adaptado de Ferrocemento[55], s.d.). .............................................................................................44 Figura 8 - Zonas de um diagrama de fogo tipo num desmonte subterrâneo. ..................................45 Figura 9 - Diagramas de fogo tipo para desmonte subterrâneo. A – Caldeira em leque (ou italiana); B - Caldeira em V; C – Caldeira cilíndrica (adaptado de Langefors et al[92], 1976). .............................................................................................46 Figura 10 - Zona de rocha fracturada numa detonação. ....................................................................47 Figura 11 - Condições para obter uma espessura uniforme do dano na rocha da periferia de um túnel (adaptado de Holmberg[83], 1982)...............................................49 Figura 12 - Magnitude na zona fracturada para diferentes tipos de explosivos (adaptado de Finnrock Ab[56], s.d.). ..............................................................................49 Figura 13 - A - Tuneladora sem escudo (adaptado de Fernandéz Gonzaléz[53], 1997); B - Tuneladora com escudo (adaptado de Gallerie[59], 1996). ......................................53 Figura 14 - A – Roçadora de braço (adaptado de Ferrocemento[55], s.d.).; B - Roçadora de braço Noell – NTM 160H (adaptado de López Jimeno e García Bermúdez[99], 1997). .....................................................................................................53 Figura 15 - Variação entre os vãos de cavidades sem suporte e os tempos de autosustentação para as várias classes de maciço (adaptado de Bieniawski, 1973 in Dinis da Gama[35], 1976)..................................................................................63 Figura 16 – Escolha do tipo de sustimento em função da classificação Q (adaptado de Barton[9], 1995). ............................................................................................................67 Figura 17 - Deslocamentos nas imediações da frente de escavação de um túnel (adaptado de Hoek[82], 1995). .......................................................................................69 Figura 18 - Modelação da curva de resposta do terreno de uma escavação (Hoek[82], 1995). ............................................................................................................................69 Figura 19 - Modelação das curvas de resposta do terreno e do suporte para uma escavação (Hoek[82], 1995). ..........................................................................................71 Figura 20 - Curvas características de alguns tipos de sustimento (Hoek, 1980, in Celada Tamames[21], 1997). ..........................................................................................71

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 21 - Ilustração de tipos de ancoragens na aplicação a túneis (adaptado de DSI in Ingeopress[84], 1996). ................................................................................................74 Figura 22 - Cambotas metálicas e rede electrosoldada (malhasol) no suporte de um túnel. .............................................................................................................................75 Figura 23 - Enfilagens (piquetes) para suporte em avanço de um túnel (adaptado de Word Tunnelling[166], 1996)..........................................................................................76 Figura 24 - Revestimento de um túnel com chapas onduladas de alumínio (adaptado de Hacar Rodríguez[60],1997). ...........................................................................................77 Figura 25 - Secção principal de observação instrumentada (adaptado de Cunha[31], 1994) e equipamentos de superfície. ............................................................................87 Figura 26 - Secções possíveis de medição de convergências (adaptado de Cunha[31], 1994 e de Scholey e Ingle[154], 1989)............................................................................89 Figura 27 - Evolução da zona de movimento do terreno com a profundidade da escavação (adaptado de D.E.M.G.[85], 1997). ...............................................................95 Figura 28 - Esboço da localização do sistema de saneamento da Costa do Estoril (adaptado de MARN[107], 1994)..................................................................................106 Figura 29 - Implantação dos túneis da 2ª fase do Interceptor do sistema de saneamento da Costa do Estoril (adaptado de CÊGÊ/FBO[20], 1997). ...........................................108 Figura 30 - Extracto da Carta Geológica de Portugal (Esc. 1/50000), folha 34-C – Cascais, com a implantação dos túneis da 2ª fase do IGSSCE...................................111 Figura 31 - Jumbo de dois braços utilizado na perfuração das frentes, nos túneis do IGSSCE – 2ª fase (cortesia de Sr. José Paiva)............................................................121 Figura 32 - Furação do diagrama de fogo tipo dos túneis do IGSSCE – 2ª fase.............................122 Figura 33 - Martelo hidráulico JVC, na esvavação do túnel 4, frente de jusante (cortesia de Sr. José Paiva). ........................................................................................124 Figura 34 - Esboço em planta da influência e campo de utilização do Martelo de Schmidt (A) e da Prensa de Carga Pontual (B), numa frente de escavação. ..............125 Figura 35 - Escavação de um nicho (esquerda) no túnel 4, frente de jusante. ................................128 Figura 36 - Operação de projecção de betão no hasteal de um túnel do IGSSCE - 2ª fase..............................................................................................................................131 Figura 37 - Frente de desmonte com microestacas instaladas, para pré-suporte.............................132 Figura 38 – Instalação do revestimento final através de cofragem deslizante. ...............................133 Figura 39 - Medição dos extensómetros instalados nos cimbres, pela equipa do LNEC................135 Figura 40 - Exemplo de um diagrama de fogo executado nos túneis do IGSSCE..........................136 Figura 41 - Registo de vibrações do diagrama de fogo...................................................................137 Figura 42 - Fenómeno de sobreescavação nos túneis do IGSSCE – 2ª fase. ..................................138 Figura 43 - Secção tipo de medição de convergências nos túneis do IGSSCE – 2ª fase (adaptado de CÊGÊ/FBO[19], 1997)............................................................................139 Figura 44 - Registo de medição de deslocamentos (convergências) de uma secção de um túnel do IGSSCE - 2ª fase (adaptado de CÊGÊ/FBO[19], 1997). ..........................140

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ÍNDICE DE TABELAS

ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1

- Ensaios geotécnicos in situ (adaptado de Galera Fernández[58], 1997). ...................... 11

Tabela 2

- Ensaios de rochas em laboratório e parâmetros resultantes. ....................................... 13

Tabela 3

- Ocorrências e métodos de prospecção associados. ..................................................... 14

Tabela 4

- Documentos, fases e conteúdo dos relatórios geotécnicos (Dinis da Gama[41], 1997)........................................................................................................................... 15

Tabela 5

- Principais critérios de escavabilidade e parâmetros mecânicos associados. ............... 37

Tabela 6

- Tipos de rotura que ocorrem em diferentes maciços rochosos sob diferentes níveis de tensão in situ (adaptado de Hoek et al[82], 1995) ......................................... 57

Tabela 7

– Problemas, parâmetros, métodos de análise e critérios de aceitabilidade em escavações subterrâneas (adaptado de Hoek[81], 1991)............................................... 58

Tabela 8

- Classificação de maciços rochosos de Bieniawski (adaptada de Dinis da Gama[35], 1976 e Brady e Brown[12], 1985)................................................................. 61

Tabela 9

- Classes de maciços rochosos para túneis e tipos de revestimento mais adequados (adaptada de Bieniawski, 1973 in Dinis da Gama[35], 1976). ..................................... 62

Tabela 10 - Parâmetros do sistema Q da Classificação de Barton (adaptado de Barton et al[7], 1982)........................................................................................................................... 64 Tabela 11 - Valores limites de velocidade de vibração de pico [mm/s] (adaptado de Moura Esteves[111], 1993). ...................................................................................................... 91 Tabela 12 - Valores de a, b e c para diversos tipos de maciço. ..................................................... 92 Tabela 13 - Responsabilidades na segurança em obra (baseado em Barata[6], 1997). ................... 98 Tabela 14 - Características do Emissário Submarino da Guia (baseado em MARN[107], 1994)........................................................................................................................... 106 Tabela 15 - Trabalhos desenvolvidos e materiais empregues na 1ª Fase do Empreendimento de Saneamento da Costa do Estoril (baseado em MARN[107], 1994).......................... 107 Tabela 16 - Trabalhos e materiais empregues na ETAR da Guia (baseado em MARN[107], 1994)........................................................................................................................... 108 Tabela 17 - Horizontes sísmicos e materiais correspondentes (baseado em Teixeira Duarte[160], 1991). ....................................................................................................... 112 Tabela 18 - Resumo das propriedades geológico-geomecânicas dos terrenos atravessados pelos túneis do IGSSCE – 2ª fase (baseado em Teixeira Duarte[160], 1991, DRENA[47], 1995 e Hidroprojecto/Consulmar[66], 1997)............................................ 114 Tabela 19 - Tipos de suporte em ZG3 (baseado DRENA[47], 1995). ............................................. 117

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ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 20 - Zonas geotécnicas em cada túnel, e respectivos tipos de suporte primário a aplicar e prazos de instalação (baseado em DRENA[47], 1995). ................................. 118 Tabela 21 - Ciclos médios de trabalho praticados em cada zona geotécnica (Hidroprojecto/Consulmar[67], 1997). ......................................................................... 123 Tabela 22 - Diferentes materiais de zonas geotécnicas ZG3 e respectivos valores de resistência à carga pontual (baseado em LNEC[95], 1997). ......................................... 123 Tabela 23 - Comprimentos e percentagens previstas e reais de Zonas Geotécnicas (Dinis da Gama[43], 1998). .......................................................................................................... 126

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1. INTRODUÇÃO

1. INTRODUÇÃO

1.1. PREÂMBULO Os túneis e as obras subterrâneas têm adquirido uma importância crescente no planeamento e gestão do espaço, tanto em áreas urbanas como no atravessamento de zonas montanhosas. As inúmeras vantagens da utilização do espaço subterrâneo são apenas ensombradas pelos seus custos associados, dado tratarem-se de estruturas complexas executadas por técnicos e empresas altamente especializados. A concepção, projecto e execução de um túnel recorrem, desde o início, a Ciências ou ramos destas, nomeadamente a Geotecnia e a Geomecânica, que conjugadas com a Economia, constituem o que se denomina como Engenharia de Túneis. A Engenharia de Túneis recebeu parte do seu legado da Engenharia de Minas, área com vasta experiência do ambiente subterrâneo e que contribuiu decisivamente para o lançamento e evolução desta técnica sendo, ainda hoje, vários os métodos construtivos utilizados em túneis que tiveram o seu início em minas subterrâneas. Nos últimos anos este ramo da Engenharia teve um desenvolvimento considerável, seguindo um rumo próprio e fomentando a evolução de técnicas específicas. Assim, actualmente, a complexidade dos ramos e especializações da Engenharia de Túneis, envolvem a concepção, prospecção, projecto, execução, fiscalização e assessoria técnica, bem como actividades acessórias particulares, como os sistemas de ventilação, drenagem e

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1. INTRODUÇÃO

impermeabilização, iluminação, sistemas de distribuição de energia eléctrica, ar comprimido, água, planeamento de segurança e saúde em obra, etc. Recentemente, novas áreas de actividade têm sido desenvolvidas, em especial no que se refere ao estudo dos impactes ambientais causados pelos túneis, seja na fase de construção seja na de serviço, em que se destacam a deposição de escombros da escavação, o controlo de ruídos e de vibrações, entre outros. Os túneis subterrâneos possuem diversas finalidades tais como: vias de comunicação (estradas, caminhos de ferro, passagens pedonais); vias de condução hidráulica (adutores de água, de saneamento, de gás, aproveitamentos hidroeléctricos); galerias mineiras; acessos a instalações subterrâneas militares; depósitos de carburantes; armazenamento de resíduos; etc. É, assim, bastante vasto o campo de aplicação destas obras geotécnicas, possuindo particularidades específicas que se prendem com o fim a que se destinam e com as condições naturais existentes no local de construção. Pelo que foi dito, é fácil de entender que a construção de um túnel ou de uma obra subterrânea envolve equipas multidisciplinares especializadas, onde a Geotecnia tem uma intervenção preponderante em praticamente todas as etapas.

1.2. CONTEÚDO DO TRABALHO A presente dessertação enquadra-se no Mestrado de Georrecursos, área de Geotecnia, do Instituto Superior Técnico e pretende abordar os temas geotécnicos mais importantes da engenharia de túneis, em particular, dos túneis em maciços rochosos, não se focando os métodos de construção de túneis em solo, a execução de túneis a céu aberto (cut-andcover) e os túneis submersos. Este trabalho pretende resumir o estado da arte da construção de túneis, com especial enfoque para os métodos e técnicas praticados em Portugal. Devido à vastidão do tema, alguns assuntos serão tratados superficialmente, tendo-se optado unicamente pela sua descrição, devido ao facto de constituírem matérias importantes e de estarem relacionados com todas as fases de projecto e de execução deste tipo de obras.

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1. INTRODUÇÃO

Deste modo, após uma breve introdução, o trabalho inicia-se com uma abordagem dos métodos de prospecção existentes, passíveis de serem utilizados neste tipo de obras, seus campos de aplicação e vantagens do seu faseamento, seguindo-se breves considerações sobre as diferentes fases do projecto de uma obra subterrânea. São abordados, igualmente, os aspectos geotécnicos relacionados com os diferentes critérios de escavabilidade e métodos de escavação, bem como as opções e critérios de dimensionamento do suporte primário e secundário, com uma breve descrição do Novo Método Austríaco (NATM). É dada especial ênfase aos dispositivos de monitorização geotécnica existentes, na sua aplicação ao controlo da estabilidade e funcionalidade de uma escavação subterrânea, e à segurança e salubridade, como garantia de qualidade da obra, durante e após a construção. Neste contexto foi estudado um túnel hidráulico de saneamento, tendo-se direccionado este trabalho para obras de reduzida secção, onde se enquadram os túneis de saneamento, de transporte de águas de abastecimento, de barragens, etc. Este trabalho pretende abordar a vertente geotécnica da construção de túneis, evidenciando as particularidades e condicionalismos próprios que ocorrem nas várias fases do empreendimento, desde a prospecção até à execução da obra, passando pelo projecto. Assim, o objectivo principal deste estudo, é alertar para as consequências dos problemas mais comuns neste tipo de empreendimentos e enumerar as soluções possíveis, sempre numa perspectiva geotécnica.

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2. PROSPECÇÃO E CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA


2.1. PLANEAMENTO E MÉTODOS DE PROSPECÇÃO 2.1.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS A prospecção e caracterização geotécnica são fundamentais na concepção de um túnel, influenciando todas as fases subsequentes, tanto as de projecto como as de execução destas obras. Baseados na caracterização geológico-geotécnica dos terrenos, os técnicos envolvidos terão de conceber e optar pelos métodos apropriados de construção, bem como prever soluções adequadas para as opções escolhidas. A utilização dos métodos apropriados de caracterização, aliados à sua competente execução, são factores primordiais na qualidade do reconhecimento geotécnico, permitindo aos diferentes especialistas a adopção de alternativas e critérios de cálculo menos conservativos. Para que estes métodos cumpram os seus desígnios, é fundamental que sejam executados por geólogos, engenheiros, geofísicos e técnicos, competentes e experientes, que garantam qualidade ao reconhecimento efectuado. Segundo Oliveira[126] (1994), a escolha dos métodos e sua localização deve contemplar, entre outras, todas as situações que poderão ocorrer ao longo da escavação do túnel, procurando-se atingir várias finalidades com cada método. A Figura 1 representa um fluxograma das várias fases de caracterização geotécnica que podem ser associadas às etapas de um projecto de uma obra subterrânea.

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Estudo Hidrogeológico

FASE 1

Cartografia Geológico-geotécnica

Classificação Geomecânica

Estudo da Fracturação

Reconhecimento Preliminar

Prospecção Geofísica

FASE 2 Prospecção Prospecção Mecânica

de Campo

Ensaios in situ

Ensaios em Laboratório

FASE 3 Caracterização Complementar

Propriedades das Formações e das Descontinuidades

Propriedades Mecânicas do Maciço Rochoso

RELATÓRIO GEOTÉCNICO (PERFIS)

Figura 1 - Fases de caracterização geotécnica de uma obra subterrânea (adaptado de Galera Fernández[58], 1997).

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O reconhecimento de um determinado maciço rochoso, tendo como objectivo a construção de um túnel, inclui a sua modelação geológica e geomecânica, de onde resulta a concepção de um perfil geológico-geotécnico que incorpora as informações recolhidas durante as várias fases de caracterização, sendo refinado com o evoluir destas. As técnicas de caracterização, apresentadas na figura anterior, que ocorrem em períodos de tempo diferentes consoante a fase em apreço, devem permitir a elaboração de um perfil geotécnico no final de cada uma. Este consiste de um corte ao longo do eixo do túnel, incorporando a informação adquirida. Assim, os perfis geotécnicos resultantes das duas primeiras fases possuirão um carácter provisório, porquanto vão sendo refinados com o decorrer das etapas subsequentes, mais precisas nas técnicas utilizadas, até resultar o perfil geotécnico final. Este último, que antecede e serve de base ao Projecto de Execução (ou em alguns casos ao Anteprojecto detalhado), deverá ser actualizado em fase de construção, perante o acesso directo ao maciço. Em Portugal, apenas em casos esporádicos se estabelecem as fases de Estudo Prévio, Projecto Base e Projecto de Execução e, muitas vezes, os planos de prospecção possuem menos fases que as anteriormente referidas. Sem prejuízo das campanhas e métodos a utilizar, os técnicos envolvidos na caracterização geológico-geotécnica devem fasear as operações de prospecção. Este faseamento permite o estudo de campanhas anteriores, possibilitando uma concentração de meios, uma vez que, com esta sequência, reforça-se o investimento técnico e económico no estudo das zonas críticas, os quais seriam de aplicação economicamente inviável em toda a extensão do túnel. A execução de túneis é uma área peculiar da Geotecnia, dependendo em grande medida da prospecção e conhecimento adquiridos durante a fase construtiva. A caracterização do maciço rochoso envolvido na construção de um túnel, não termina na fase de projecto, devendo decorrer sistematicamente durante a construção, com o rigor conferido pela acessibilidade ao local de escavação, de forma a permitir afinar métodos, redimensionar estruturas e adoptar soluções para ultrapassar eventuais acidentes geológicos.

2.1.2. RECONHECIMENTO PRELIMINAR No âmbito da caracterização geotécnica para construção de túneis, o reconhecimento preliminar, representado na Fase 1 da Figura 1, é por excelência o elemento de prospecção da fase de Estudo Prévio. De facto, as técnicas de prospecção utilizadas e o respectivo grau

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de incerteza associado, conferem a este elemento um cariz de caracterização global não detalhada, reconhecidamente insuficiente para as futuras opções de escavação ou cálculos estruturais, mas apropriado ao estudo regional e à caracterização da geologia, tectónica e hidrogeologia, entre outros. Segundo Galera Fernández[58] (1997) e Oliveira[124] (1986), os trabalhos realizados nesta fase têm ainda o objectivo de permitir o planeamento das fases subsequentes de prospecção, bem como elaborar uma primeira estimativa dos custos associados às restantes actividades de caracterização. Os métodos de investigação utilizados na fase de reconhecimento preliminar podem incluir a consulta de elementos existentes, a caracterização geológica à escala regional, a interpretação fotogeológica, a cartografia geológica de superfície, o estudo hidrogeológico, as classificações geomecânicas e o estudo da fracturação. Para uma correcta caracterização e interpretação das ocorrências geológicas, é necessária uma equipa multidisciplinar, sendo preponderante a experiência dos técnicos envolvidos. De facto, os métodos utilizados nesta fase são fundamentalmente interpretativos, requerendo um elevado grau de especialização dos técnicos e equipamentos a utilizar (Wahlstrom[165], 1973). Com os métodos de prospecção referidos, é já muitas vezes possível obter uma aproximação ou estimar alguns parâmetros quantificáveis, como o grau de alteração, a posição aproximada do nível freático, a densidade e orientação das diaclases, os índices RMR (de Bieniawski) e Q (de Barton), etc. Ainda de acordo com Galera Fernández[58] (1997), esta fase preliminar permite a obtenção de valiosa informação para a caracterização, onde se destacam a morfologia e litologia do maciço rochoso, a estratigrafia, o número e posição dos aquíferos e a localização de possíveis acidentes geológicos. Como consequência destes estudos iniciais de caracterização, resulta a elaboração do perfil geotécnico preliminar, devendo este permitir a identificação dos constrangimentos e pontos críticos do projecto geotécnico, com especial relevo para os emboquilhamentos do túnel, atravessamento de acidentes geológicos, aquíferos e grutas. É também nesta fase do projecto, sempre que as características da obra o permitam, que se devem avaliar as alternativas ao traçado, de forma a escolher as zonas mais favoráveis para a execução da obra, ou mesmo avaliar a viabilidade global do projecto (Dinis da Gama[41], 1997). Com

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base no perfil geotécnico preliminar, planeiam-se então as actividades de prospecção subsequentes, definindo os métodos e os locais apropriados para os desenvolver. A presença de edifícios, aglomerados, estradas ou outras estruturas à superfície podem igualmente condicionar os trabalhos de prospecção, limitando os locais de aplicação. Por outro lado, a pesquisa junto das populações, relativa aos acontecimentos naturais que ocorreram ou ocorrem na região, reveste-se de enorme importância, uma vez que os habitantes da região em estudo, podem ser uma fonte de informação sobre o regime de precipitação, recentes escorregamentos de taludes, etc. Esta abordagem obriga a repetidas deslocações ao local, por parte do projectista, que deve participar e acompanhar, parcial ou totalmente, a cartografia geológica de superfície e as restantes fases de prospecção.

2.1.3. PROSPECÇÃO DE CAMPO A fase de prospecção de campo, também denominada de prospecção in situ é, em termos de técnicas, de planificação e de localização, a consequência dos estudos e análises da fase anterior, constituindo um elemento de trabalho para o Projecto Base. Um factor importante a ter em conta é a preparação e recolha dos materiais a ensaiar no estudo laboratorial posterior, existindo assim uma clara interligação entre esta e as fases anterior e subsequente. Sendo o objectivo global da caracterização, a obtenção de um modelo geológico-geotécnico que traduza as características do maciço envolvido, as actividades a desenvolver nesta fase deverão ser consequência dos estudos antecedentes. Assim, estes trabalhos deverão destinar-se a completar o reconhecimento anterior com recurso a métodos convenientes e precisos, aplicados criteriosamente nas zonas sobre as quais existam dúvidas. Os métodos habituais que se utilizam nesta etapa da prospecção (Fase 2 da Figura 1), incluem a geofísica, a prospecção mecânica e os ensaios in situ. A prospecção geofísica utiliza técnicas indirectas e interpretativas na detecção das anomalias verificadas nos maciços, existindo diversos métodos utilizados em geotecnia, com

destaque

para

os

métodos

sísmicos,

eléctricos

e

electromagnéticos

e,

esporadicamente, a gravimetria e a magnetometria (para detectar cavidades). Consoante o problema a investigar, assim se aplicam os métodos mais adequados, existindo a necessidade de avaliar as vantagens e as limitações de cada técnica e, assim, planear o seu correcto emprego em cada zona (Wahlstrom[165], 1973).

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O método sísmico mais utilizado em geotecnia é a sísmica de refracção, aplicável na detecção de espessuras alteração e de solos de cobertura e, em maciços brandos, para detectar a posição do nível freático. Este método possui a vantagem do baixo custo associado, mas geralmente não se obtêm bons resultados para profundidades superiores a 20 m ou quando camadas menos densas se encontrem a maiores profundidades. Este método é utilizado, preferencialmente, na caracterização da camada de alteração das zonas de emboquilhamento dos túneis, uma vez que se tratam de pontos críticos para a execução (Galera Fernández[58], 1997). Os métodos geofísicos eléctricos compreendem um vasto conjunto de técnicas, destacando-se, como principais na aplicação a túneis, as que avaliam a resistividade aparente dos terrenos. Segundo Wahlstrom[165] (1973) e Galera Fernández[58] (1997), estes métodos de resistividade possuem um alcance médio de cerca de 100 m, sendo especialmente adequados na detecção de aspectos importantes na caracterização do maciço rochoso, como sejam as falhas e a posição dos níveis freáticos ao longo do traçado do túnel. Os métodos electromagnéticos, têm o mesmo campo de aplicação dos métodos eléctricos, podendo utilizar georradares para a obtenção de perfis de reflexão de ondas electromagnéticas, possuindo um alcance que varia entre 35 e 100 m. Os métodos sísmicos, eléctricos e electromagnéticos, podem ainda ser realizados no interior de furos de sondagem, tanto no interior do furo, como entre dois furos (crosshole). Na aplicação sísmica do cross-hole é possível detectar a continuidade litológica, cavidades, zonas de falha, grau de fracturação e o módulo de elasticidade, sendo contudo necessário que os furos de sondagem estejam próximos, de forma a permitir boas leituras (McCann[101], 1992). Relativamente à prospecção mecânica, esta pode incluir poços e/ou galerias, mas é a execução de sondagens de prospecção o método mais utilizado e importante no reconhecimento geotécnico. Esta técnica possui grandes vantagens, uma vez que contacta directamente com o local de execução da obra, possibilitando ainda a realização de ensaios no local e a recolha de amostras para ensaios posteriores. As desvantagens que lhe estão associadas, prendem-se com o seu elevado custo e com o facto de se tratar de uma amostragem pontual, carecendo de interpretação cuidada na elaboração dos perfis geológico-geotécnicos.

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Os critérios que regem o número e localização das sondagens, devem basear-se em todo o conhecimento adquirido das fases de reconhecimento anteriores, procurando-se amostrar as zonas de características mais adversas ou sobre as quais existam maiores incertezas. O frequente procedimento de distribuir as sondagens de forma equidistante é, no mínimo, pobre como critério de localização deste importante e dispendioso método de amostragem, salvo nos raros casos de maciços inteiramente homogéneos. Assim, com a informação recolhida anteriormente, deve-se procurar atingir as zonas de falha, de cavalgamentos, de carsificação, etc., de forma a recolher o máximo de informação destas estruturas complexas e determinantes para o projecto de túneis, optimizando-se o número de sondagens através da sua localização e orientação. De acordo com Galera Fernández[58] (1997), o número de sondagens a realizar na prospecção de um túnel, é função das características e dificuldade da obra, sendo importante a localização de uma sondagem em cada emboquilhamento e poço (caso exista). Este autor indica, para um túnel de dificuldade média, um valor aproximado para o comprimento acumulado de furação por sondagens de pelo menos metade do comprimento total do túnel. Com o evoluir dos meios e da tecnologia, os ensaios in situ têm vindo a adquirir uma grande preponderância sobre os ensaios laboratoriais. Este facto prende-se com a dificuldade de obtenção de amostras inalteradas e com o efeito de escala evidenciado pelos maciços rochosos, onde se torna pouco exequível a recolha de amostras com dimensão suficiente para serem representativas da compartimentação e heterogeneidade do maciço rochoso (Silvério[155], 1975, McCann[101], 1992). Segundo Silvério[155] (1975) e Galera Fernández[58] (1997), existem dois grandes grupos de ensaios que se aplicam na caracterização de túneis: ensaios realizados sobre os testemunhos de sondagem e ensaios no interior dos furos de sondagem, realizando-se em casos esporádicos ensaios no interior de poços e galerias de prospecção. Os principais ensaios no campo, sobre testemunhos de sondagem, incluem o ensaio de carga pontual, deslizamento de diaclases (tilt-test) e esclerómetro, procurando-se a obtenção de parâmetros correlacionáveis com a resistência à compressão simples, resistência ao corte e resistência ao deslizamento de diaclases (Tabela 1). Relativamente aos ensaios nos furos de sondagem, estes visam apurar fundamentalmente as características do maciço no que respeita à permeabilidade, deformabilidade e

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resistência (ver Tabela 1). Para a obtenção dos parâmetros pretendidos, existe uma vasta gama de equipamentos disponíveis que deverão sofrer uma selecção adequada, consoante o maciço em causa, as condições existentes e a finalidade pretendida (Oliveira[121], 1975). Assim, os ensaios para determinação da permeabilidade de maciços rochosos, são geralmente efectuados com recurso a injecção e/ou extracção (bombagem) de água. Os ensaios de injecção de água mais utilizados, são os ensaios sob pressão ou ensaios Lugeon, utilizados em maciços rochosos, e que, devido à sua grande divulgação, possuem actualmente bastante experiência acumulada (Pereira[131], 1985). Existem outros ensaios que podem ser realizados para determinar a permeabilidade dos materiais, como os ensaios Lefranc (para solos) ou ensaios de bombagem, entre outros. Os ensaios de deformabilidade correntes, consoante se tratem de maciços terrosos ou rochosos, compreendem os ensaios pressiométricos e dilatométricos. Os primeiros aplicam-se a maciços terrosos ou rochosos muito brandos, podendo ainda nestes maciços ser utilizados os ensaios SPT (penetração dinâmica) e os ensaios de corte rotativo ou de molinete (vane-test), correlacionáveis com as características mecânicas de resistência das formações. Relativamente aos ensaios dilatométricos, aplicados em maciços rochosos, está disponível uma vasta gama destes equipamentos, existindo inclusivamente alguns desenvolvidos em Portugal pelo LNEC (Oliveira[121], 1975). Tabela 1 - Ensaios geotécnicos in situ (adaptado de Galera Fernández[58], 1997). ENSAIO

REALIZAÇÃO

PARÂMETRO OBTIDO

Carga Pontual

Testemunho de sondagem

Índice de carga pontual

Esclerómetro

Testemunho de sondagem

Índice esclerométrico

Deslizamento de diaclases (Tilt-test)

Amostra em bloco ou sobre o testemunho de sondagem

Ângulo de atrito

Molinete (Vane-test)

Interior do furo (solos)

Resistência ao corte

Penetrómetro



Lugeon

Interior do furo

Coeficiente de Permeabilidade

Pressiométrico


Módulo de deformabilidade

Dilatométrico

Interior do furo

Módulo de deformabilidade

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Após os trabalhos acabados de descrever e perante uma cuidada análise dos valores resultantes, procede-se à elaboração de um perfil geotécnico condicionado, mais preciso que o perfil geotécnico preliminar, o qual deverá ter respondido à maioria das questões relativas à identificação das estruturas presentes no maciço rochoso. A interpretação dos resultados e a parametrização do maciço rochoso, são aspectos muito importantes, que devem ser realizados por técnicos que tenham participado na campanha de prospecção e que possuam a necessária experiência de trabalhos anteriores. 2.1.4. CARACTERIZAÇÃO COMPLEMENTAR A caracterização geotécnica complementar inclui a execução de ensaios laboratoriais (ver Tabela 2), para além da integração de todos os dados obtidos nas fases anteriores, de forma a ser obtido o perfil geotécnico final, fundamentado nas propriedades das formações geológicas e propriedades mecânicas do maciço (Fase 3 da Figura 1). Trata-se assim do elemento que serve de base ao Projecto de Execução, ou ao Anteprojecto detalhado, constituindo o principal elemento a integrar no Relatório Geotécnico. Os ensaios laboratoriais mais comuns compreendem ensaios de identificação, a nível de petrologia, mineralogia, densidade e humidade natural, e ensaios mecânicos como a compressão uniaxial, tracção, compressão triaxial, ensaios de corte em rocha e ensaios de deslizamento de descontinuidades (Galera Fernández[58], 1997). Os ensaios mecânicos referidos, nomeadamente os ensaios de compressão uniaxial, triaxial e ensaios de corte em rocha, destinam-se a estabelecer parâmetros de qualidade relativos à deformabilidade e à resistência das rochas que compõem o maciço rochoso. Estes valores não podem ser directamente utilizados na caracterização do maciço, sem uma adaptação à escala devida, uma vez que se realizam sobre reduzidas amostras de rocha, sem representatividade das condições globais do maciço (Lamas[91], 1993). Relativamente aos resultados dos ensaios de deslizamento de diaclases realizados em testemunhos de sondagem, estes são geralmente conservativos, uma vez que testam a rugosidade das descontinuidades mas não incluem o efeito da ondulação destas. Segundo Dinis da Gama[41] (1997), a descrição quantitativa relativa ao estudo das descontinuidades e às características mecânicas, entre outras, devem seguir, sempre que possível, os métodos sugeridos pela Sociedade Internacional de Mecânica das Rochas (ISRM).

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A Tabela 2 pretende resumir os parâmetros obtidos nos principais ensaios de rochas em laboratório. Em laboratório podem ainda ser realizados ensaios de porosidade, densidade, permeabilidade, expansibilidade e desgaste (slake durability) e, em certos casos, ensaios de avaliação da dureza pelo martelo de Schmidt (ou esclerómetro), velocidade de propagação das ondas elásticas e ensaio de carga pontual (Lamas[91], 1993).

Tabela 2 - Ensaios de rochas em laboratório e parâmetros resultantes. ENSAIO

PARÂMETROS

Compressão Simples

Módulo de elasticidade, coeficiente de Poisson, resistência à rotura, fluência

Compressão Triaxial

Deformabilidade em meio confinado lateralmente, resistência ao corte

Corte directo


Deslizamento de Diaclases

Resistência ao deslizamento

Compressão diametral

Resistência à tracção

Os principais alvos da prospecção geotécnica e os métodos aplicados na sua detecção, estão representados na Tabela 3, sendo possível observar a constante presença das sondagens e ensaios associados, revelando-se como o método mais interveniente na prospecção geotécnica. Com os ensaios realizados, tanto in situ como em laboratório, deverá ser possível determinar um ou vários modelos de comportamento do maciço que reflictam as características das formações e as propriedades mecânicas dos maciços rochosos. Um dos aspectos mais importantes a ser considerado na fase de prospecção, determinando muitas vezes a localização e o traçado do túnel, é a posição dos emboquilhamentos. A dependência directa que este factor possui no desenvolvimento do túnel, pressupõe que se iniciem os trabalhos na caracterização destes locais. Mesmo nas obras em que a concepção e os constrangimentos técnicos não permitem a alteração do posicionamento dos

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emboquilhamentos, a sua adequada caracterização reveste-se de bastante importância, porquanto os emboquilhamentos constituem pontos críticos na acessibilidade ao túnel. Nos emboquilhamentos, os métodos mais utilizados para o seu reconhecimento, incluem a sísmica de refracção e as sondagens horizontais. Os taludes envolvidos nestas zonas devem igualmente ser alvo de reconhecimento, constituindo matéria determinante no projecto e execução da obra.

Tabela 3 - Ocorrências e métodos de prospecção associados. OCORRÊNCIAS DE INTERESSE PARA O PROJECTO DE UM TÚNEL

POSSÍVEIS MÉTODOS DE PROSPECÇÃO PARA A DETECÇÃO

FASE DE PROSPECÇÃO

Cartografia de superfície

1

Geofísica – Resistividade

2

Sondagens

2


1


2

Sondagens

2


2

Sondagens

2


1


2

Sondagens – Ensaios in situ

2


2

Sondagens

2

Ensaios em laboratório

3

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Sondagens – Ensaios in situ

2

DO MACIÇO

Ensaios em laboratório

3

LITOLOGIA

FALHAS GEOLÓGICAS

GRUTAS

NÍVEL FREÁTICO

FRACTURAÇÃO

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2.2. RELATÓRIO GEOTÉCNICO 2.2.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS A metodologia e as fases de um Relatório Geotécnico, no âmbito da filosofia de faseamento das campanhas de prospecção e de projecto, incluem um conjunto de documentos, de índole geotécnica, com conteúdos e objectivos específicos. Na Tabela 4, apresentam-se as três fases do relatório geotécnico e os principais aspectos do seu conteúdo a serem desenvolvidos no subcapítulo seguinte. Segundo Dinis da Gama[41] (1997), a experiência adquirida internacionalmente e os critérios adoptados por vários especialistas, justificam a elaboração de relatórios geotécnicos em três fases sucessivas com conteúdos e âmbitos distintos. Esta metodologia é seguida e regulamentada em bastantes países europeus e nos EUA, através de normas específicas. Tabela 4 - Documentos, fases e conteúdo dos relatórios geotécnicos (Dinis da Gama[41], 1997). FASES DO RELATÓRIO GEOTÉCNICO

ASPECTOS DO CONTEÚDO

Relatório de Dados Geotécnicos (RDG)

Dados dos estudos de prospecção: reconhecimento preliminar; prospecção de campo e caracterização complementar.

Relatório Geotécnico Interpretativo (RGI)

Avaliação da qualidade e fiabilidade dos dados; principais estruturas (geológicas e outras); cenários e métodos de cálculo; análise da experiência anterior.

Relatório Geotécnico de Base (RGB)

Caracterização e perfis geotécnicos; propriedades dos maciços; cenários de escavação, suporte, tratamento e controlo de águas; cenários de impactes ambientais.

2.2.2. CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DO TERRENO A caracterização geotécnica dos terrenos interessados pela construção de um túnel, resulta dos estudos de prospecção anteriormente referidos, originando um conjunto de documentos técnicos importantes. Como foi referido, estes documentos possuem informações e interpretações diversas, de acordo com a fase e pormenor que lhes estão associados. 15


O Relatório de Dados Geotécnicos (RDG), inclui a informação das campanhas de prospecção, nomeadamente os resultados das sondagens, da prospecção geofísica, dos ensaios in situ e dos ensaios em laboratório. A elaboração deste relatório, que compila todos os resultados da prospecção e caracterização geológico-geotécnica, está a cargo da empresa de prospecção (Prospector), sob a supervisão do consultor geotécnico. Este relatório é incluído pelo Dono de Obra na documentação do concurso para o Projecto e para a Execução, destinando-se a permitir, aos intervenientes, um maior conhecimento da região, de forma a serem adoptadas as técnicas e métodos apropriados para a concepção e execução da obra. O Relatório Geotécnico Interpretativo (RGI), baseado nos resultados da prospecção geotécnica constantes no RDG é, como o nome indica, um documento de avaliação e interpretação, destinado a quantificar os parâmetros de projecto e analisar os métodos e cenários de dimensionamento. Este estudo é essencialmente elaborado pelo Projectista com a participação do Consultor Geotécnico, devendo abordar os seguintes aspectos (Dinis da Gama[41], 1997): • Feições naturais (geológicas) e artificiais (humanas) relevantes para a construção; • Qualidade e fiabilidade da informação contida no RDG; • Descrição e avaliação geotécnica das propriedades dos terrenos, da presença de água e das descontinuidades, sua respectiva influência no processo de escavação e no suporte inicial previsto; • Selecção dos critérios a adoptar para análise e projecto dos suportes (primários e secundários); • Incorporação da experiência anterior em circunstâncias similares.

A terceira etapa refere-se à elaboração do Relatório Geotécnico de Base (RGB), igualmente da responsabilidade do Projectista com a colaboração do Consultor Geotécnico, incluindo a informação dos dois relatórios anteriores (RDG e RGI). Este documento destina-se a formar o programa de concurso para a execução da obra (selecção de Empreiteiro e Fiscalização), servindo de base à escolha de equipamentos e métodos construtivos, bem como à avaliação de prazos e custos de execução da obra. O âmbito deste relatório permite igualmente definir a partilha de riscos entre o Empreiteiro e o Dono

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de Obra, incluindo ainda a informação para as entidades subcontratadas, nomeadamente os financiadores, seguradores e consultores (Dinis da Gama[41], 1997). Pertencem a este documento um conjunto de factores, incluindo: • Descrição sumária do Projecto; • Caracterização dos terrenos ao longo do alinhamento do túnel, incluindo os perfis geotécnicos; • Resumo das propriedades geotécnicas dos maciços interessados pela construção do túnel; • Métodos antecipados de escavação, suporte, tratamento dos terrenos, controlo de afluência de água e os cenários dos seus resultados; • Comportamento expectável do maciço afectado pela obra; • Estimativas de quantidades de material a incluir na construção, face aos tratamentos de índole geotécnica (suportes, injecções, etc.); • Previsão dos efeitos da obra no ambiente circundante.

De forma a não existirem assuntos simultaneamente abordados neste e nos outros relatórios e documentos do Projecto, não se deverá incluir no RGB os seguintes elementos: • Discussões relativas a métodos construtivos, equipamentos e períodos de realização dos trabalhos; • Repetições de dados, tabelas e gráficos existentes nos anteriores relatórios geotécnicos; • Descrições sobre requisitos contratuais existentes na legislação; • Critérios opcionais de dimensionamento dos suportes (iniciais, temporários e definitivos), assim como outros tópicos do Projecto.

As funções do Consultor Geotécnico assumem aqui uma importância significativa, porquanto este elemento é um especialista da obra em causa, ao serviço directo do Dono de Obra, desempenhando um papel interveniente na selecção das restantes entidades que

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participam no empreendimento. A participação deste consultor inicia-se antes de qualquer decisão técnica específica, colaborando nas opções de índole geotécnica nas fases que antecedem a construção, bem como durante a execução da obra, através da assessoria técnica e acompanhamento, e estendem-se para lá do final da construção, participando na aferição da qualidade final e na elaboração do as-built. Em termos de legislação de obras públicas, esta figura de Consultor Geotécnico pode ser equiparada ou englobada na de Delegado do Dono da Obra (Porto Editora[142], 1995). A Figura 2 representa a sequência desejável, a nível de prospecção, projecto e execução, do processo que medeia a necessidade inicial de elaboração de um túnel, por parte do Dono da Obra, e a fase construtiva da obra. As entidades referidas na Figura 2, e as tarefas associadas, serão abordadas nos capítulos seguintes.

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DONO DE OBRA

CONSULTOR GEOTÉCNICO CONCURSO PARA A PROSPECÇÃO

CONCURSO PARA O PROJECTO

RDG

PROSPECTOR PROJECTISTA

PROSPECÇÃO ADICIONAL

RECONHECIMENTO PRELIMINAR ESTUDO PRÉVIO

PROSPECÇÃO

RGI

DE CAMPO

PROJECTO BASE

CARACTERIZAÇÃO COMPLEMENTAR

RGB PROJECTO DE EXECUÇÃO CONCURSO PARA A EMPREITADA CONCURSO PARA A FISCALIZAÇÃO

PROSPECÇÃO EM AVANÇO

ASSISTÊNCIA TÉCNICA (PROJECTISTA)

ASSESSORI A TÉCNICA (CONSULT.)

ALTERAÇÕES AO PROJECTO

EXECUÇÃO FISCAL

EMPREITEIRO

FINAL DA OBRA

Figura 2 - Fluxograma das actividades de prospecção, projecto e execução. 19


2.2.3. AVALIAÇÃO DOS CONDICIONALISMOS GEOTÉCNICOS As fases de prospecção anteriormente referidas e os documentos a elas associados, devem identificar e alertar para os possíveis problemas do foro geotécnico que poderão ocorrer, permitindo accionar os meios para os alterar ou mitigar. A importância desta avaliação e as inerentes consequências técnicas e ambientais, justificam a elaboração deste subcapítulo, que não será de forma alguma exaustivo, mas pretende constituir uma referência para os aspectos mais importantes da interferência e relação da construção de um túnel com a geotecnia, o ambiente e a economia. O levantamento das restrições geotécnicas de uma obra subterrânea, no contexto da prospecção, prende-se com a caracterização dos elementos geológicos e estruturais de risco, condicionantes de possíveis anomalias, bem como com a fiabilidade das possíveis soluções a implementar. Estão incluídas nestas estruturas, os acidentes geológicos importantes, os atravessamentos de aquíferos significativos, as passagens por baixo de rios ou ribeiras, as zonas dos emboquilhamentos, a existência de risco sísmico, os constrangimentos ligados a possíveis tratamentos dos terrenos, a escavação em zonas anteriormente alvo de trabalhos (aterros), a existência de gases armazenados nas rochas, etc. Cabe ao Projectista (com acompanhamento do Consultor Geotécnico), promover as metodologias apropriadas para a identificação destas peculiaridades, na fase de prospecção, carecendo esta de um acompanhamento permanente dos trabalhos. As anomalias citadas, fortemente condicionantes do Projecto e métodos de execução, devem ser referidas no RGB e no Projecto de Execução, em capítulo próprio, constituindo um importante alerta para as entidades envolvidas, em termos de segurança da obra. Tratando-se da fase de identificação por excelência, a prospecção e caracterização do meio envolvente permite o reconhecimento das situações ambientais problemáticas e das restrições ambientais, definindo os equilíbrios mais frágeis que podem ser afectados pela execução da obra em causa. Englobadas nas condicionantes ambientais mais importantes, encontram-se aspectos como a contaminação de aquíferos, danos causados a estruturas superficiais e subterrâneas, prejuízos causados a pessoas, etc.. Muitos destes aspectos encontram-se, usualmente, referidos nos Estudos de Impacte Ambiental (EIA), contudo,

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existem facetas que não são identificadas, uma vez que resultam do método construtivo do túnel, muitas vezes desconhecido à data da realização do EIA. Em termos das restrições económicas associadas à prospecção, e apesar de não ser objecto de um estudo a incorporar em qualquer relatório geotécnico, deve ser dado especial ênfase à percentagem do custo global atribuído à prospecção. A tendência verificada nos últimos tempos em Portugal, relativa à avaliação dos projectos por parte dos Donos de Obra, denota a crescente importância dada aos baixos custos associados à prospecção e projecto, em detrimento da qualidade destes trabalhos. De facto, não é raro que propostas de menor qualidade sejam aprovadas, devido ao facto de implicarem menores custos de prospecção e projecto. Este procedimento tem-se revelado bastante oneroso a longo prazo, uma vez que motiva elevados custos na fase de construção, acarretando igualmente atrasos significativos nos prazos de execução. Segundo Rodrigues-Carvalho et al[151] (1986), para um exemplo de um túnel no Algarve, os estudos geológico-geotécnicos realizados para a revisão do projecto, levou a que se despendesse 1,2% do custo total da obra, permitindo reduzir em 5,6% aquele mesmo custo. A análise da relação custo/benefício é assim uma metodologia apropriada, ou possível, para a determinação do conteúdo e magnitude dos estudos de prospecção, levando sempre em conta o facto de existirem alguns factores intangíveis que devem, de qualquer forma, ser incorporados neste balanço, como sejam os aspectos relacionados com a segurança em obra.

2.3. CARACTERIZAÇÃO SISTEMÁTICA “IN SITU” Um dos condicionalismos que se verificam no decorrer de qualquer obra geotécnica subterrânea, em particular na construção de um túnel, é a necessidade de uma contínua prospecção das frentes de escavação e os subsequentes custos por ela motivados. As soluções técnicas disponíveis actualmente, apontam para uma racionalização dos meios a utilizar na prospecção, dependente do grau de conhecimento do maciço rochoso, da sensibilidade da obra e dos custos inerentes a cada opção tomada. Como é sabido, existem vários métodos de prospecção e caracterização, tecnologicamente evoluídos, que se destinam principalmente a obras de grande magnitude. A aplicação destes métodos em obras de pequena dimensão é sistematicamente inviável devido aos custos que acarretam e à sua dificuldade de manobra em espaços reduzidos.

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Assim, apresentam-se alguns métodos que, pela sua simplicidade, implicam baixos custos, facilidade de manuseamento, pouca interferência com as actividades construtivas e pequeno período de operação: • Observação da Frente do Túnel: A observação da frente a desmontar por parte de técnicos especializados, pode conferir uma primeira aproximação das características geomecânicas do tipo de material, permitindo assim uma directa correlação com as restantes informações. Englobado neste método salienta-se, pela sua importância, o levantamento dos graus de fracturação, de alteração, caudais de água, etc. • Perfurabilidade do Maciço: Os parâmetros de furação (velocidade, força, etc.) do troço imediatamente anterior ao que se está a estudar, no caso de desmonte com explosivos, bem como a perfurabilidade do troço a desmontar, podem dar uma ordem de grandeza sobre as características do material, existindo actualmente equipamentos de perfuração apetrechados com sistemas computacionais de análise directa do maciço. Analogamente, no desmonte por meios mecânicos, a facilidade ou dificuldade de escavação pode igualmente ser utilizada na caracterização. • Sondagem em Avanço: A realização de uma sondagem na frente de desmonte, com recuperação do testemunho, permite a obtenção de diversos parâmetros importantes, como o grau de fracturação e a resistência da rocha, podendo ainda identificar antecipadamente qualquer mudança nas propriedades do maciço e, assim, preparar as técnicas de desmonte e suporte convenientes. A aplicação deste método carece de um adequado planeamento, de forma a não interferir com os trabalhos de construção do túnel. • Martelo de Schmidt: A aplicação deste aparelho na frente de desmonte pode revelar-se de extrema utilidade na caracterização expedita do maciço em causa, principalmente quando acompanhado de uma retroanálise eficaz em outras zonas e integrada com as restantes informações disponíveis. • Técnicas Geofísicas expeditas: A utilização de equipamentos geofísicos de dimensão reduzida operáveis no interior do túnel, nomeadamente técnicas sísmicas, podem ajudar a identificar as condições da frente de desmonte. • Permanência de equipamentos laboratoriais simples em obra: Em analogia ao que ocorre em grandes obras geotécnicas, onde a fiscalização está munida de laboratórios no local, os empreendimentos de pequeno porte podem possuir equipamentos de fácil manuseamento e baixo custo, que necessitem de pequenos espaços e possuam

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facilidade de recolha e análise de amostras. Exemplos de equipamentos deste tipo são a prensa de carga pontual e de corte directo portátil, podendo ser operadas com amostras não preparadas e em tempo reduzido, possibilitando, a primeira, uma boa correlação com a resistência à compressão simples, auxiliando na selecção do método de escavação. A utilização dos métodos acima expostos tem, necessariamente, de ser encarada como um complemento aos trabalhos de prospecção da fase de projecto, destinando-se a conferir maior detalhe ao reconhecimento, motivado pelo directo e contínuo acesso ao maciço rochoso. A integração das técnicas de prospecção para o projecto com os métodos expeditos contínuos, pode alterar significativamente os critérios de desmonte e de sustimento, entre outros. Geralmente, na metodologia do projectista, os coeficientes de segurança reflectem o desconhecimento do maciço rochoso, utilizando-se valores mais elevados quando se reconhece que a prospecção foi insuficiente ou que se trata de uma obra difícil, tanto devido ao maciço como à finalidade da obra. Por esta razão, ao induzirem um conhecimento mais profundo do maciço, os sistemas referidos têm, geralmente, um efeito directo de redução dos custos de execução, através da adopção de métodos de escavação menos onerosos e suportes mais aligeirados. Por outro lado, nos casos em que foi adoptada uma atitude mais optimista por parte do projectista, contrariada pelos resultados da prospecção contínua, poderá verificar-se um aumento dos custos de forma a serem atingidos os coeficientes de segurança desejados. A esta caracterização contínua, devem ser associados estudos de retroanálise, revestindo-se da maior importância em obras geotécnicas, devido aos conhecidos imponderáveis resultantes dos caprichos geológicos. De facto, a análise à posteriori dos factos ocorridos pode permitir tomar decisões fundamentadas no caso de se repetirem as condições anteriormente estudadas na obra em causa, bem como ser útil em obras futuras. Para obras de grande dimensão, e cuja dificuldade se afigure significativa, podem ser executados túneis piloto, que incorporam bastantes vantagens para a execução (Figura 3). A realização de um túnel piloto permite o contacto e estudo do maciço rochoso, constituindo um dos melhores métodos de prospecção em avanço. Estes túneis podem ainda ser utilizados para testar in situ métodos de escavação e tipos de suportes, para permitirem o tratamento do maciço a escavar (jet grouting, ancoragens, drenagem, etc.),

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além de facilitarem o desmonte da frente, uma vez que facultam o acesso de equipamentos, criam mais uma face livre e possibilitam a descompressão da rocha para o seu interior.

Figura 3 - Túnel piloto na escavação de uma obra subterrânea (adaptado de AFTES[1], 1996). A caracterização sistemática da frente do túnel, e o seu consequente tratamento e incorporação de novos dados, revela-se assim como um factor de extrema importância, útil a todos os intervenientes na obra. Assim, esta metodologia permite aos diversos participantes as seguintes actividades: • Projectista: redimensionamento das estruturas, aferição da segurança e fiabilidade do projecto, previsão de prazos e custos; •

Empreiteiro: antecipação dos métodos de escavação e sustimento, alocação e/ou dispensa de equipamentos e pessoal, previsão de prazos e custos, aumento do rendimento e maior velocidade de execução; • Fiscalização: planeamento das actividades de controlo, previsão de situações de risco, aferição da segurança; • Dono de Obra: controlo de custos e prazos, menor prazo de execução.

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3. CONSIDERAÇÕES AO PROJECTO DE ENGENHARIA EM TÚNEIS


3.1. FASES DE PROJECTO 3.1.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS O projecto de um túnel, ou de uma obra subterrânea, conhece inúmeras variantes, essencialmente relacionadas com o objectivo da obra, a sua sensibilidade ambiental, local de implantação e ocorrências geológicas. A abordagem de todos estes assuntos seria uma tarefa exaustiva e, porventura, pouco interessante para o âmbito deste trabalho. Deste modo, serão abordados os principais aspectos a ter em conta no projecto, destacando-se fundamentalmente os que estão relacionados directamente com a Geotecnia. Como já foi referido, os diversos fins a que se destinam os túneis implicam diferentes tipos de concepção e riscos associados. As vias de comunicação, vias de condução hidráulica, túneis mineiros, instalações militares, depósitos de carburantes ou de resíduos, etc., merecem tratamentos distintos a nível de projecto e execução, cabendo ao projectista a adopção dos critérios apropriados, de acordo com a especificidade de cada obra. De uma forma geral, e a par do objectivo final da obra, o projecto de um túnel tem de integrar e gerir diversos aspectos complementares, nomeadamente os impactes ambientais associados ao túnel, tanto os permanentes, motivados pela implantação deste, como os de carácter temporário resultantes do processo construtivo em si.

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É na fase de projecto que os meios técnicos têm de ser utilizados ou concebidos de forma a que a Engenharia cumpra os seus desígnios, isto é, que promova e planeie todos os mecanismos de forma a: 1) Atingir os objectivos da obra (funcionalidade e estabilidade); 2) Garantir a segurança da obra na fase de construção e de serviço; 3) Executar a obra com o menor custo possível; 4) Garantir a observação das condicionantes estéticas e ambientais.

Estes princípios, comuns à maioria dos ramos da Engenharia, dependem da incorporação das informações disponíveis passo a passo, pelo que se revela fundamental a sequência seguida com as sucessivas fases de projecto. As obras geotécnicas contêm um elevado grau de incerteza, relativamente a outros empreendimentos, razão que leva a que as três fases usuais de projecto (Estudo Prévio, Projecto Base e Projecto de Execução) possuam uma importância acrescida na tomada de decisões técnicas, de viabilidade e na estimativa de custos e prazos. Em termos de legislação relativa a obras públicas (Portaria Nº 53 do Diário da República de 5 de Março de 1986, in Porto Editora[142], 1995, e Decreto-Lei nº 405/93[34]), estão consagradas as obrigações das partes e as seguintes fases de projecto: Programa Preliminar, Programa Base, Estudo Prévio, Projecto Base (ou Anteprojecto), Projecto de Execução e durante a execução da obra, a Assistência Técnica do Projectista. O Programa Preliminar da autoria do Dono de Obra, e o Programa Base elaborado pelo Projectista, são elementos com pouca componente técnica, nomeadamente em termos de geotecnia, permitindo-se frequentemente a sua dispensa das fases activas de projecto. Na Figura 4 representam-se, de forma esquemática, as fases de projecto com base na interpretação das directivas constantes na legislação para obras públicas (Porto Editora[142], 1995). Nos capítulos seguintes serão aprofundados apenas os assuntos referentes ao Estudo Prévio, Projecto Base (Anteprojecto) e Projecto de Execução, por se considerarem os mais importantes no contexto dos condicionalismos geotécnicos.

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Dono de Obra

PROGRAMA PRELIMINAR

Projectista

PROGRAMA BASE

Projectista

ESTUDO PRÉVIO

Projectista

PROJECTO BASE

Projectista

PROJECTO DE EXECUÇÃO

Empreiteiro

EXECUÇÃO

Objectivos da obra; características a satisfazer; topografia, cartografia e localização; exigências de comportamento, funcionamento, exploração e conservação; limites de custo e financiamento; prazos de elaboração do projecto e da execução; imposições relativas à paisagem; em alguns casos o estudo geológico e geotécnico. Sequência das operações; critérios de dimensionamento; condicionamentos da ocupação do terreno e exigências urbanísticas; peças escritas e desenhadas para esclarecimento das alternativas, viabilidade, tecnologia, custos e prazos; estimativa dos custos de manutenção e conservação; indicação da necessidade de elementos topográficos, geológicos, hidrológicos e outros; indicação da necessidade de estudos, prospecção e ensaios. Memória descritiva e justificativa de cada objectivo do estudo; elementos gráficos de cada solução; dimensionamentos aproximados dos principais elementos; processos, materiais e equipamentos de construção; estimativa do custo; revisão discriminada do programa base, em termos de alterações e custos; estudos económicos, geológicos, hidrológicos e paisagísticos; plantas e perfis das soluções a escalas convenientes. Peças desenhadas, a escalas convenientes, da planimetria e altimetria dos componentes da obra; dimensionamento geral; justificação das soluções adoptadas; sistemas e processos construtivos e características técnicas dos materiais e equipamentos; orçamento preliminar; programa de trabalhos com operações vinculantes para o Empreiteiro; estudos geológicos e geotécnicos. Memória descritiva e justificativa com os seguintes aspectos: definição e descrição da obra, análise do cumprimento do Programa Base, indicação da natureza e condições do terreno, implantação e integração da obra no local, descrição das soluções que satisfazem as leis em vigor, caracterização dos materiais, dos elementos de construção, das instalações e dos equipamentos, justificação técnicoeconómica; cálculos e justificação dos diferentes componentes da obra; medições da quantidade e qualidade dos trabalhos de execução (segundo a legislação e especificações LNEC); orçamento; peças desenhadas; condições técnicas, gerais e especiais do Caderno de Encargos.

Figura 4 - Fluxograma das etapas de projecto em obras públicas (baseado em Porto Editora[142], 1995).

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Em termos de honorários devidos a cada fase de projecto, estes estão distribuídos da seguinte forma: Programa Base (20%), Estudo Prévio (15%), Projecto Base (25%), Projecto de Execução (30%) e Assistência Técnica (10%) (Porto Editora[142], 1995). No caso das obras subterrâneas, devido ao desconhecimento do maciço nas fases anteriores à escavação, o valor dos honorários para a Assistência Técnica poderia ser superior.

3.1.2. ESTUDO PRÉVIO O Estudo Prévio de uma obra subterrânea tem uma importância decisiva na prossecução do empreendimento, sendo nesta fase que se tomam as decisões mais abrangentes, nomeadamente no que se refere à continuidade da obra, localização, cenários de execução e seus custos associados e a determinação das exigências das etapas subsequentes. Desta forma, este elemento de projecto destina-se ao estudo regional de implantação da obra, obrigando-se a identificar o meio envolvente e as consequências da interacção entre a obra e o ambiente. O Estudo Prévio terá assim de disponibilizar a informação suficiente para que sejam tomadas as decisões de carácter geral e para direccionar os estudos futuros. A identificação das condicionantes da obra, onde se destacam os aspectos de envolvente ambiental, as ocorrências geológicas, e as possíveis interferências provocadas pela e à execução, revestem-se de importância acrescida, podendo limitar os métodos e técnicas a utilizar ou, mesmo, abandonar a concepção inicialmente definida. Contam-se como factores importantes, o tipo e paisagem da região interessada (urbana, rural, etc.), as estruturas geológicas envolvidas, a acessibilidade ao local, a existência de meios técnicos especializados na região (prospectores, empreiteiros, etc.), entre outros. Em termos geotécnicos, esta fase do projecto é elaborada com base no Reconhecimento Preliminar (ver capítulo 2.1.2), definindo-se um conjunto de condicionalismos que merecerão um tratamento posterior de maior detalhe. A informação proveniente dos trabalhos de prospecção deverá permitir a definição de alternativas para a execução da obra, condicionadas pelos resultados dos estudos posteriores que são também, por sua vez, estabelecidos e identificados neste estudo. É pois, o Estudo Prévio quem estabelece o rumo inicial das soluções técnicas, vistas à escala regional e, portanto, ainda pouco pormenorizadas. Estas opções terão, necessariamente, de ser ajustadas e afinadas com a introdução de informação mais minuciosa, à medida que se avança nas fases de projecto.

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Este documento deverá conter também a elaboração da estimativa dos custos globais da obra, de forma abrangente, tratando-se de um elemento muito importante a ser fornecido ao Dono de Obra e aos seus consultores. Esta previsão económica constitui um dos principais elementos decisórios do empreendimento, permitindo compará-lo com os financiamentos e deliberar, em termos de custo e benefício, sobre a continuidade ou abandono da obra.

3.1.3. PROJECTO BASE O Projecto Base, por vezes designado Anteprojecto, constitui um elemento pormenorizado das soluções a adoptar e respectiva fundamentação, incluindo o dimensionamento das estruturas e os processos construtivos, entre outros. Este estudo, suportado pela prospecção geotécnica de campo (capítulo 2.1.3), possui um carácter desenvolvido, pretendendo-se, nesta fase, a elaboração e definição dos materiais a utilizar e equipamentos, programas de trabalhos e orçamentos das actividades. Muitas vezes, este documento é elaborado com maior detalhe, constituindo o elemento posto a concurso para a empreitada, antecedendo imediatamente a execução. Este procedimento tem o objectivo de permitir a realização do projecto propriamente dito durante a execução da empreitada, perante os problemas e condicionantes concretos. Segundo Mello Mendes[104] (1983), na maioria das obras subterrâneas, é bastante difícil determinar as características do revestimento sem antes se ter procedido à escavação de um comprimento apreciável de túnel, com um perfeito controlo do terreno através de instrumentação apropriada. Assim, salvo raras excepções, o Projecto de Execução de um túnel só poderá ser completado no decorrer da obra, a partir dos elementos obtidos e em face das situações que forem sendo detectadas (Oliveira[122], 1977). Esta moderna abordagem de construção de túneis (método observacional ou as you go), aponta como elemento de concurso e início de obra, o denominado Anteprojecto detalhado. Esta modalidade possui algumas vantagens relativamente ao que é usualmente praticado, uma vez que constitui um modelo que prevê o seu carácter provisório, dando origem ao projecto de execução em fase de obra.

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A adopção deste último procedimento, pressupõe o acompanhamento constante da obra por parte do Projectista, uma vez que é este que possui os conceitos de concepção da obra e está assim melhor apetrechado para promover as alterações e optimizações necessárias, de forma a conceber uma obra segura, funcional e com o menor custo. Esta actividade constitui a assistência técnica à obra, para cuja remuneração existe previsão na proposta do Projectista.

3.1.4. PROJECTO DE EXECUÇÃO O Projecto de Execução é, por excelência, o elemento que serve de base à construção da obra. Este documento define as metodologias de construção, o dimensionamento, as características dos materiais, os equipamentos, os estudos económicos, etc. Como foi referido, a execução de um túnel merece atenções particulares relativas à elaboração deste tipo de documento, que não pode ser entendido como regulador de uma metodologia fixa de construção. A experiência associada à construção de túneis indica que o verdadeiro projecto de execução só pode ser elaborado no decorrer da escavação, perante o contacto directo com o maciço rochoso e, assim, com o perfeito conhecimento das condições, características e adversidades do meio, denominando-se método observacional ou passo a passo. Para a prossecução desta filosofia de projecto, em que geralmente se adopta o Projecto Base (detalhado) como elemento de projecto anterior à construção, é necessário prever a implementação dos meios de caracterização e amostragem do maciço a escavar. Este processo deverá permitir a adaptação e elaboração do verdadeiro projecto no decurso da obra, em face das condições reais verificadas. De forma a poder ser seguida esta sequência de actividades, e como já foi referido, o Projectista deverá ter uma presença constante em obra, com meios técnicos e humanos consideráveis, dos quais depende a imprescindível capacidade de resposta. Mesmo em projectos onde não é seguido este método, dever-se-á atender a que uma obra geotécnica não é imune a imprevistos, sendo mesmo o tipo de obras onde estes ocorrem com mais frequência. Devido a isso, a concepção de cenários que identifiquem os mais prováveis desvios à normal execução da obra, é um procedimento vantajoso para todos os intervenientes em obras desta índole.

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Nas últimas décadas tem sido utilizada uma técnica de dimensionamento das obras subterrâneas, que utiliza a divisão do maciço em zonas, denominada Zonamento Geotécnico. Esta divisão do maciço pode ser realizada na fase de Projecto Base, mas é com o Projecto de Execução que adquire uma configuração mais precisa, à custa dos resultados de ensaios de campo e de laboratório mais detalhados (Oliveira[125], 1986). O Zonamento Geotécnico tem a finalidade de definir maciços geológicos com idênticas respostas geotécnicas a curto e a longo prazo (Oliveira[124], 1986). Esta forma de repartir o maciço em zonas que exibem comportamentos geomecânicos semelhantes, tem sido um valioso auxiliar dos técnicos ligados à Engenharia de Túneis, uma vez que permite a aplicação das mesmas técnicas em zonas com características comparáveis, fornecendo facilidade no dimensionamento e permitindo a optimização da execução. Segundo Oliveira[125] (1986), trata-se assim de balizar o maciço rochoso dentro de limites bem definidos e aceitáveis, relativos à deformabilidade, resistência, permeabilidade e estado de tensão. O zonamento geotécnico é assim uma eficiente metodologia de trabalho, se forem atendidos os constrangimentos próprios das obras desta natureza. Por si só, esta metodologia não é suficiente no ordenamento total do processo construtivo, apesar de definir valores mecânicos característicos de cada zona geotécnica. O âmbito do zonamento geotécnico não pode, muitas vezes, abranger simultaneamente os métodos de escavação, sustimento, constrangimentos ambientais, etc. A título de exemplo, duas zonas com a mesma classificação geotécnica, a nível de geologia e de propriedades mecânicas do maciço, poderão ter de sofrer distintos métodos de escavação e sustimento, pelo simples facto de se encontrarem em áreas urbanas ou não, perto ou longe de estruturas de risco, com grande ou pequeno recobrimento, etc. Desta forma, o zonamento geotécnico não pode ser entendido como um receituário de soluções pré-determinadas que dispense estudos específicos localizados, mas antes uma abordagem de cenários característicos para zonas relativamente homogéneas, onde a sua aplicação não induza custos acrescidos (na escavação e suporte) ou a redução das condições de segurança. A adopção eficaz desta metodologia carece igualmente de reconhecimento e instrumentação contínuos do maciço a escavar, que terá de ir muito para além da mera classificação geológica das frentes de desmonte, por si só insuficiente para a aferição das condições mecânicas e estruturais do maciço rochoso.

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O projecto das estruturas de apoio da obra, nomeadamente a ventilação, iluminação e drenagem é, geralmente, relegado para o executante da obra. Este critério, suportado pelo conhecimento prático que permite ao empreiteiro esta concepção operacional, pode acarretar consequências nefastas para a segurança, qualidade e prazos do empreendimento. Assim, considera-se como uma tarefa importante do Projectista, o estabelecimento de limites para estes parâmetros, de forma a assegurar as condições mínimas de segurança e salubridade no decorrer da execução da obra.

3.2. CONSTRANGIMENTOS AO PROJECTO Numa obra subterrânea existem vários condicionalismos associados à sua elaboração. Estes elementos redutores, que impedem os técnicos de exercer livremente as suas capacidades e criatividade, prendem-se com as imposições de traçado, geometria do túnel, condições geotécnicas, particularidades ambientais, entre outras. A dimensão do túnel é geralmente um aspecto inibidor da livre movimentação de pessoas e equipamentos, facto que é agravado nos casos de túneis hidráulicos ou de saneamento, onde as secções são reduzidas. Assim, uma pequena secção de um túnel influencia a funcionalidade dos sistemas de escavação, remoção, ventilação, drenagem, iluminação, etc. Do mesmo modo, o comprimento do túnel pode igualmente condicionar os sistemas referidos, com especial ênfase para a ventilação, drenagem, distribuição de energia eléctrica e remoção. Cabe ao Projectista, no âmbito das suas actividades, estudar os meios de minorar estes efeitos, recorrendo às soluções técnicas adequadas, nomeadamente pelo estudo da viabilidade de execução de poços (para extracção, ventilação, etc.) ou mesmo o redimensionamento de certas secções do túnel através do alargamento destas, de forma a permitir o cruzamento de veículos ou a instalação de bombas e ventiladores intercalares . Neste contexto de túneis de reduzida secção, há a assinalar a recente tecnologia de microtunelação, correspondentes a túneis de diâmetro inferior a 900 mm, ou minitunelação para diâmetros entre 900 e 2800 mm. Esta técnica constitui uma alternativa às valas escavadas a céu aberto, geralmente para instalação de condutas de água, gás e cabos eléctricos ou de telecomunicações, utilizando-se equipamentos com controlo remoto de grande precisão. Este processo pode representar uma opção viável, fundamentada pela gama de materiais que escava (desde solos a maciços rochosos) e versatilidade em termos de diâmetros e de precisão. Em termos técnicos e ambientais, este método de abertura é atractivo, porquanto

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implica menores transtornos às populações, minimiza possíveis deslocamentos de fundações de estruturas e edifícios, não carece de colocação de fundações para as tubagens (minorando possíveis roturas por flexão) e a sua aplicação em larga escala pode motivar menores custos que os métodos tradicionais (Nicholas[118], 1998 e Fernandes[51], 1991). A obrigatoriedade do cumprimento de um traçado fixo, imposto por critérios de serviço e independente das condições geotécnicas, hidrogeológicas, ambientais e outras, é outro factor condicionante tanto do projecto como da execução, sujeitando-os, muitas vezes, a factores adversos relacionados com o tipo de maciço rochoso, condições de recobrimento, sensibilidade das estruturas superficiais, etc. Outro aspecto a atender no projecto, refere-se aos danos e prejuízos, a curto e longo prazo, causados às populações. Estes condicionantes, de cariz temporário e/ou permanente, restringem a qualidade de vida das populações, através dos inconvenientes provocados pela fase construtiva (ruídos, vibrações, poeiras, circulação de veículos pesados, condicionamento do tráfego, etc.), bem como pelas próprias consequências da implantação do túnel que poderão provocar restrições à construção, uso do solo e rebaixamento do nível freático, entre outros. Cabe igualmente ao Projectista antever e minimizar os efeitos nefastos da obra, através das técnicas e meios apropriados, de forma a causar os menores transtornos possíveis, sendo mais tarde implementados e supervisionados pela Fiscalização, durante a actividade do Empreiteiro. A definição dos locais de estaleiro e das áreas de deposição (aterro) dos materiais removidos pela escavação dos túneis, são outros aspectos importantes, dos quais podem resultar graves implicações técnicas e económicas, sobretudo se a obra se localizar em regiões com elevada densidade populacional.

3.3. CONSTRANGIMENTOS NA EXECUÇÃO O Projectista de uma obra subterrânea deverá dedicar especial atenção à capacidade que o seu projecto tem de ser exequível, isto é, terá sempre de equacionar a tecnologia existente, meios disponíveis e as restrições reinantes, de forma a permitir: • a realização efectiva e segura da obra; • um campo alargado de intervenção aos empreiteiros;

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• a execução no menor prazo e pelo menor custo; • a minimização dos impactes ambientais e transtornos às populações

Os aspectos acima referidos implicam a incorporação, por parte do Projectista, dos meios técnicos disponíveis na zona e/ou país de construção, de forma a garantir a exequibilidade da obra e, simultaneamente, permitir a livre concorrência entre empreiteiros, de forma a obter menores custos de execução. Assim, deverá ser preocupação do Projectista não limitar excessivamente os equipamentos a utilizar, bem como possibilitar diversos cenários para as metodologias de execução. A execução destas obras em zonas habitacionais, nas imediações de captações de água (poços), e nas travessias de rios, entre outras, carece de extrema atenção por parte do Projectista. Não só se deve incorporar estas informações nos métodos de cálculo, como se devem promover, em fase de projecto, os meios de controlo das actividades construtivas, nomeadamente a escavação, de forma a que não sejam afectadas as condições pré-existentes. Um outro aspecto de extrema importância nas fases que antecedem o início da execução, é a selecção do Empreiteiro e Fiscalização, geralmente da responsabilidade do Dono de Obra e respectivos Consultores, devendo contar igualmente com a participação do Projectista. Este procedimento permite avaliar com maior detalhe as metodologias e técnicas propostas pelo Empreiteiro, e a sua interferência com o meio circundante, com os custos, com os prazos, com a segurança e com a qualidade final da obra. Analogamente, os meios colocados à disposição pela entidade fiscalizadora, pode ser de importância determinante na qualidade da obra e no grau de interferência desta com o meio ambiente. Entre os factores com maior relevo que devem ser observados nas propostas dos executantes e fiscalizadores destas obras, contam-se a metodologia e ciclos de trabalho, o tipo e quantidade dos equipamentos colocados em obra, o grau de formação dos operários envolvidos, a capacidade técnica e habilitações das chefias e responsáveis e os métodos de aferição da qualidade.

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4. ESCAVAÇÃO EM MACIÇOS ROCHOSOS


4.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS A escavação em maciços rochosos é uma actividade complexa e com enormes repercussões na eficiência da construção de túneis. Em termos geotécnicos esta actividade é, possivelmente, a que maiores implicações acarreta para a execução de uma obra subterrânea. As vertentes ligadas ao método de escavação, equipamentos utilizados e velocidades de avanço, afectam praticamente todas as operações que se realizam a jusante, nomeadamente a remoção de escombros, o dimensionamento e instalação de suportes (primários e secundários), as actividades acessórias (ventilação, drenagem, iluminação) e, em última análise, as condições globais de segurança do túnel. Consoante se pretenda realizar uma obra subterrânea em terrenos brandos ou em maciços rochosos competentes, com desenvolvimento horizontal ou vertical, com grande ou pequena secção, longe ou perto de zonas urbanas, assim se utilizam métodos de escavação e equipamentos significativamente distintos. A escavação de túneis pode desenrolar-se de duas formas distintas: escavação subterrânea e escavação a céu aberto. A opção por qualquer uma destas metodologias prende-se, sobretudo, com questões económicas relacionadas com o tipo de maciço, profundidade dos trabalhos e a existência ou não de estruturas superficiais. Como foi referido na introdução deste trabalho, a execução de túneis a céu aberto (cut and cover) não será aqui abordada.

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Os métodos de escavação, nomeadamente o seu faseamento e as velocidades de avanço, estão intimamente ligadas aos cálculos dos sistemas e tipos de suporte, existindo também reciprocidade no sentido inverso. Um exemplo claro da interacção escavação suporte, é bem patente no NATM (New Austrian Tunneling Method) que se descreverá no capítulo 5.4.

4.2. CRITÉRIOS DE ESCAVABILIDADE 4.2.1. DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS CRITÉRIOS DE ESCAVABILIDADE 4.2.1.1. Introdução Entende-se por escavabilidade de um maciço rochoso, a sua capacidade de resistência à acção proporcionada pelos equipamentos de escavação, tanto os mecânicos como os explosivos. Esta apetência do maciço para ser desagregado, é um factor determinante nas fases de projecto e de execução. Ao longo dos tempos, vários autores têm desenvolvido critérios de classificação dos maciços rochosos em função da sua escavabilidade. Estes critérios baseiam-se em diversos parâmetros de avaliação, existindo alguns de concepção simples e outros que incorporam um largo conjunto de características dos materiais e de equipamentos propostos. A escavação dos maciços rochosos depende maioritariamente de duas características principais do maciço: a capacidade de resistência da rocha e as características de fracturação existentes. Os parâmetros utilizados pelos diversos autores, tendem a reflectir estas duas características do maciço, incorporando factores como a resistência à compressão uniaxial, resistência à carga pontual, resistência à tracção, número de Schmidt, velocidade das ondas sísmicas, dureza, grau de alteração, grau de abrasividade, espaçamento de diaclases, RQD (Rock Quality Designation), RMR (Rock Mass Rating), parâmetros do sistema de classificação Q de Barton, continuidade, orientação e preenchimento de diaclases, possança média dos estratos, tamanho de blocos, etc. Segundo López Jimeno e Díaz Méndez[98] (1997), os critérios mais utilizados e importantes são: o método de Franklin et al (1971), o método de Weaver (1975), o método de Atkinson (1977), o método de Romana (1981), o método de Kirsten (1982), o método de Abdullatif e Cruden (1983), o método de Scoble e Muftuoglu (1984), o método de Hadjigiorgiou e

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Scoble (1988) e o método de Singh et al (1989). A Tabela 5 apresenta os métodos referidos e os respectivos parâmetros que determinam a classificação.

Tabela 5 - Principais critérios de escavabilidade e parâmetros mecânicos associados. CRITÉRIOS DE ESCAVABILIDADE

PARÂMETROS

Franklin (1971)

Is50 (índice de resistência à carga pontual), espaçamento médio entre fracturas, resistência à compressão simples, número de Schmidt, RQD

Weaver (1975)

Velocidade sísmica, dureza, grau de alteração, e o espaçamento, continuidade, preenchimento e orientação de diaclases

Atkinson (1977)

Resistência à compressão simples

Romana (1981)

Resistência à compressão uniaxial, RQD, grau de abrasividade (equivalente de sílica)

Kirsten (1982)

Resistência à compressão uniaxial, RQD, Jn e Jr do sistema de classificação Q de Barton, posição relativa dos blocos, alteração de diaclases

Abdullatif e Cruden (1983)

RMR

Scoble e Muftuoglu (1984)

Grau de alteração, resistência à compressão uniaxial, resistência à carga pontual, espaçamento de diaclases, possança média da estratificação

Hadjigiorgiou e Scoble (1988)

Resistência à carga pontual, tamanho de blocos, grau de alteração, disposição estrutural relativa

Singh (1989)

Resistência à tracção, grau de alteração, grau de abrasividade, espaçamento de diaclases

Existem ainda critérios de escavabilidade, desenvolvidos pelos vários fabricantes de equipamentos de escavação que, com base na experiência acumulada e para cada equipamento, identificam os tipos de rocha escaváveis consoante as respectivas velocidades das ondas sísmicas. Nos pontos seguintes apresentam-se dois dos métodos considerados mais apropriados e utilizados na classificação de maciços rochosos para fins de escavação de um túnel.

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4.2.1.2. Método de Franklin et al O método desenvolvido por Franklin e seus colaboradores (1971) classifica o maciço rochoso de acordo com dois parâmetros principais, obtidos sobre testemunhos de sondagem: Is50 (índice de resistência à carga pontual) e espaçamento médio entre fracturas (ver Figura 5). Estes parâmetros podem ainda ser correlacionáveis com outras grandezas, o Is50 com a resistência à compressão simples e com o número de Schmidt e, o espaçamento médio entre fracturas com o RQD.

Espaçamento 6 médio entre EE fracturas 2 [m] ME

DESMONTE COM EXPLOSIVOS

0,6 100

R Q D [%]

75 50 25 0

EE – Extremamente elevado

E EXPLOSIVOS 0,2

ME – Muito elevado

PARA DESAGREGAR

M

E – Elevado

0,06 M – Médio

P ESCARIFICAÇÃO

ESCAVAÇÃO

0,02

P – Pequeno

MECÂNICA

MP

MP – Muito pequeno

0,006 0,03

MP

0,1

P

0,3

M

1

E

ME

3

10

EE

30 2

Índice de resistência a cargas pontuais Is50 [MN/m ] 1

2

5

10

20

50

100 200

500

Resistência à compressão uniaxial [MPa] 0

10 20

30

40

50 60

70

Número de Schmidt

Figura 5 - Classificação da escavabilidade de maciços rochosos, segundo Franklin et al. (adaptado de Franklin et al, 1971, in López Jimeno e Díaz Méndez [98], 1997)

38


Assim, este método determina quatro regiões no gráfico exposto, a que correspondem diferentes métodos de desmonte da rocha, a escavação mecânica, a escarificação, a utilização de explosivos para desagregar e o desmonte com explosivos. Esta classificação, devido à data da sua concepção (1971), possui actualmente algumas imprecisões, porquanto as tecnologias e capacidades dos equipamentos têm tido uma evolução constante, nomeadamente os modernos equipamentos hidráulicos, bastante potentes, que ampliam as áreas de escavação mecânica e escarificação para o interior das regiões de desmonte com explosivo.

4.2.1.3. Método de Kirsten Kirsten (1982) propôs um método classificativo para a selecção de métodos de escavação, utilizando um conjunto de parâmetros que integram uma expressão empírica, da qual resulta um índice de escavabilidade N (López Jimeno e Díaz Méndez [98], 1997). Assim a expressão vem: N = Ms . (RQD/Jn) . Js . (Jr/Ja)

com

Ms ≡ Resistência à compressão simples da rocha (MPa); RQD ≡ Rock Quality Designation (%); Jn, Jr ≡ Parâmetros do sistema de classificação Q de Barton; Js ≡ Disposição relativa dos blocos inclinados segundo a direcção de extracção (Js=1, para material intacto); Ja ≡ Grau de alteração das diaclases.

Segundo o índice N calculado através da expressão anterior, este autor apresentou os intervalos e a respectiva facilidade de arranque: 1 < N < 10 . . . . . . . . . . . Facilmente ripável; 10 < N < 100 . . . . . . . . . . Ripagem difícil; 100 < N < 1000 . . . . . . . . Ripagem muito difícil; 1000 < N < 10000 . . . . . . . Ripagem extremamente difícil / explosivos; N > 10000 . . . . . . . . . . . Explosivos. 39


4.3. MÉTODOS DE ESCAVAÇÃO 4.3.1. CONDICIONALISMOS NA SELECÇÃO DO MÉTODO DE ESCAVAÇÃO Os critérios de classificação do maciço rochoso de acordo com a respectiva escavabilidade, destinam-se a avaliar a capacidade da rocha de ser desagregada segundo um método e/ou equipamento. Estes critérios não contemplam os restantes factores que podem limitar o emprego das técnicas seleccionadas, como os factores ambientais, económicos, geográficos, estruturais, de risco, ou mesmo a geometria das cavidades. Os maciços rochosos, como elementos geológicos complexos, só raramente possuem as características de homogeneidade, isotropia e continuidade que lhes são frequentemente atribuídos. Desta forma, poderá não ser suficiente a utilização de um único método ou técnica de desmonte de rocha, para a escavação integral de uma obra subterrânea. Se bem que seja económica e tecnicamente inviável a substituição frequente dos métodos de escavação no decorrer da abertura de um túnel, existem adaptações possíveis nos diferentes métodos, dependentes das características do maciço e das condicionantes locais. Estas variantes, consoante o processo em uso, traduzem-se na aplicação de equipamentos de diferente potência ou sistema de corte, ou na adaptação sucessiva do diagrama de fogo no caso de desmonte com explosivos. A escavabilidade dos maciços, classificada segundo qualquer dos critérios anteriormente expostos, baseia-se na capacidade e potência dos equipamentos existentes à data da elaboração do critério. Desta forma, a antiguidade do sistema classificativo pode tornar obsoleta a respectiva metodologia ao não contemplar as evoluções tecnológicas. Neste contexto, são de realçar as evoluções em termos mecânicos, designadamente dos equipamentos hidráulicos e tuneladoras, que aumentaram significativamente as suas potencialidades e também o desenvolvimento dos recentes tipos de explosivos, como as emulsões, e respectivos métodos de utilização. Quanto

às

limitações

associadas

ao

uso

de

explosivos,

estas

prendem-se,

fundamentalmente, com as condições do meio onde se desenrolam as actividades. Estas condicionantes podem estar relacionadas com a presença de estruturas civis ou com o ambiente natural existente, potencialmente afectados pelas vibrações, ruídos, poeiras e projecção de blocos. Entre as estruturas que podem limitar, ou mesmo inviabilizar, a

40


utilização de explosivos, encontram-se os gasodutos, caminhos de ferro, estradas, pontes, viadutos, aglomerados populacionais, barragens e albufeiras, centrais energéticas, refinarias ou outras instalações industriais, hospitais e estruturas subterrâneas sensíveis como outros túneis, minas, instalações de armazenamento de produtos de risco e instalações militares. Relativamente às situações ambientais, a utilização de explosivos através da fracturação que induz ao maciço, pode afectar cursos de água, bem como os aquíferos existentes, rebaixando-os ou ligando diferentes níveis. Estes efeitos podem limitar o uso do solo da região, tanto no que se refere a posteriores construções como as relativas ao uso agrícola, pecuária, fauna e flora (zonas protegidas), etc., além de acarretarem perigos e custos acrescidos para as actividades construtivas futuras. A secção do túnel, geralmente imposta pelo Dono da Obra ou pelo Projectista, de acordo com o objectivo da infraestrutura, é outro dos condicionalismos com que se debate a escolha da técnica de desmonte, uma vez que pode limitar a gama de equipamentos a operar no espaço disponível e a eficiência destes. A selecção do tipo de sistema de desmonte a aplicar (mecânico ou com explosivos), deve ter em conta aspectos como a altura do nível freático acima da soleira do túnel, a profundidade de recobrimento, a distância do eixo do túnel às estruturas existentes (construções, rios, etc.), a sensibilidade das estruturas superficiais, bem como os parâmetros mecânicos característicos do maciço a escavar. Relativamente ao zonamento geotécnico do maciço, este possui propósitos essencialmente de estimativa do suporte a utilizar para cada zona não dispensando análises mais detalhadas quando se julgar necessário. Este zonamento deve ainda ser utilizado de forma mais abrangente no que respeita aos métodos de escavação, equipamentos a utilizar, tempos despendidos, entre outros. Os métodos de escavação, tanto por explosivos como mecânicos, podem ser faseados de acordo com as características da obra e do maciço rochoso. Em túneis de grande secção, é geralmente utilizada a técnica de desmonte sucessivo de secções parciais, de forma a minorar a instabilidade das frentes, dos tectos e dos hasteais, bem como reduzir as convergências no túnel. Este método é preferencialmente utilizado em túneis em maciços rochosos muito brandos (ou maciços terrosos), com pequeno recobrimento.

41


Existem vários métodos de escavação em secção parcial, usualmente classificadas de acordo com o país de origem. A Figura 6 ilustra alguns dos métodos mais importantes de escavação parcial.

1

2

4

2

3

2

4

1

4

4

2

2

5

3

5

1

6

1

6

5

1

2

2

1

2

3

5

3

5

4 4

Método Belga

2 3

3 4

5 4

Método Americano

4

Método Austríaco

Método Alemão

Método Inglês

2

3

1 3

2 5

4 Método de S. Gotardo

Figura 6 - Vários métodos de desmonte em secções parciais (baseado em Juncà Ubierta[87], 1997 e Pereira[135], 1996). A escolha de um método de desmonte de rocha reflecte-se sempre na qualidade da obra e nos custos e prazos inerentes à sua realização. Neste contexto, existem alguns requisitos a ter em conta, nomeadamente o tipo e versatilidade dos equipamentos, podendo estes constituir um factor limitativo para os empreiteiros, em termos de concurso, influenciando directamente o custo da obra. Relativamente à selecção e adaptação do método de escavação, em fase de obra, deverão efectuar-se trabalhos com a seguinte composição: • Prospecção expedita e contínua da frente; • Levantamento dos constrangimentos locais (subterrâneos e superficiais); • Classificação e caracterização geotécnica dos terrenos atravessados pelo túnel e integração da informação recolhida na prospecção da frente com o zonamento geotécnico anteriormente definido; 42


• Estabelecimento dos métodos de desmonte da rocha com base nos elementos disponíveis no zonamento e prospecção: ♦ Utilização de explosivos: devem-se estabelecer cenários de utilização com base nos elementos existentes, no que respeita a diagramas de fogo, tipo de explosivo a utilizar, espaçamento entre furos, consumo específico de explosivo e tempos de retardo. Os referidos cenários devem cingir-se à adaptação às diversas litologias e resistências dos maciços rochosos envolvidos, bem como às situações peculiares que se verifiquem em termos das estruturas civis existentes e restrições ambientais. ♦ Utilização de processos mecânicos: os métodos de desagregação mecânica do material rochoso, devido à sua diversidade, devem ser escolhidos essencialmente pela sua adequação, flexibilidade, disponibilidade e alargado campo de utilização, de forma a reduzir o número de equipamentos em obra. Em alguns casos, podem-se utilizar sistemas mistos de explosivos e arranque mecânico. Assim, para a selecção de um método de escavação apropriado, não são suficientes os critérios de escavabilidade e o zonamento geotécnico usual, carecendo a sua escolha de estudos de pormenor que integrem as tecnologias existentes à data e as restrições específicas do meio e da obra, nomeadamente as condições geotécnicas.

4.3.2. ESCAVAÇÃO COM EXPLOSIVOS 4.3.2.1. Condicionantes Gerais O desmonte de rocha com explosivos motiva, invariavelmente, um conjunto de acções benéficas e um conjunto de acções prejudiciais. Entre as primeiras contam-se como principais, o arranque da rocha do maciço e a sua cominuição, facilitando assim a remoção e transporte. Englobados nas acções prejudiciais encontram-se as vibrações induzidas, os ruídos, os gases, as poeiras, a projecção de material (partículas e/ou blocos) e a deterioração do maciço remanescente, traduzido em fenómenos de sobrefracturação e sobreescavação. O desmonte com explosivos em áreas urbanas, reveste-se de grandes dificuldades e exige um apurado domínio por parte dos executantes. Atendendo a possíveis excepções que sempre ocorrem nestes projectos, pode-se dizer que os constrangimentos ambientais e técnicos associados à utilização de explosivos, tornam estas técnicas quase proibitivas em 43


zonas habitadas, tanto mais que existem actualmente eficientes métodos de escavação mecânica, bastante versáteis e com provas dadas em todo o mundo. Pelo que atrás foi dito, a utilização dos explosivos pode, e deve, ser alvo de um estudo preliminar com vista à determinação ou, no mínimo, à detalhada previsão dos objectivos a atingir e das causas resultantes, sustentado pelo conhecimento disponível sobre o meio, e sobre os materiais e técnicas de desmonte a utilizar.

4.3.2.2. Utilização de Explosivos As técnicas de utilização de explosivos têm sido estudadas por numerosos autores, existindo actualmente diversos métodos de aplicação destes produtos. Os diagramas de fogo dependem, para a sua eficiência, de diferentes variáveis que incluem o número e orientação dos furos, tipos e quantidade de explosivos, número e sequência de retardos, etc. O processo de desmonte com explosivos inicia-se na actividade de perfuração da frente, que tem a finalidade de abrir os furos onde irão ser introduzidos os explosivos. Esta operação de perfuração, em subterrâneo, pode ser realizada por equipamentos hidráulicos automatizados (Jumbos), geralmente com múltiplos braços perfuradores (Figura 7), ou manualmente, em casos excepcionais (pequeno espaço de operação ou poucos furos).

Figura 7 - Jumbo hidráulico de três braços para perfuração em subterrâneo (adaptado de Ferrocemento[55], s.d.).

44


Num diagrama de fogo usual (Figura 8), a sequência de rebentamento segue a seguinte ordem: caldeira, alargamento, soleira (sapateira) e contorno. Como é natural, utilizam-se maiores cargas nas zonas de mais difícil arranque, nomeadamente a caldeira onde existe maior confinamento e a soleira, onde se verifica maior influência da gravidade. A ordem de disparo referida pode ser alterada mediante os objectivos a atingir, existindo diagramas de fogo onde os primeiros furos a detonar são os de contorno. Esta técnica, denominada de pré-corte, tende a minorar os efeitos nefastos para o maciço, criando uma superfície de descontinuidade por onde não se transmitem as vibrações provenientes das outras sequências de disparo.

Contorno

Alargamento

Caldeira

Soleira

Figura 8 - Zonas de um diagrama de fogo tipo num desmonte subterrâneo. O princípio que rege a aplicação de explosivos em subterrâneo, onde existe geralmente apenas uma face livre, é a sucessiva criação de vazios para onde a rocha possa ser desmontada. Para a obtenção deste efeito existem várias técnicas de disposição dos furos e retardos, das quais se apresentam três exemplos na Figura 9, com a sequência de retardos numerada. O diagrama A refere-se a um desmonte em leque ou caldeira italiana, o diagrama B representa um desmonte em cunha ou em VV múltiplos (V Cut) e o diagrama C descreve um desmonte com caldeira cilíndrica ou burn-cut.

45


Diagrama A

5

4 2

3

A

5

A’ 1

A

A’

Diagrama B

3

B

2

3

2

B’ 1

1

B’

B

Diagrama C

3

3 2

C

2 1

C’

C

1

C’

Figura 9 - Diagramas de fogo tipo para desmonte subterrâneo. A – Caldeira em leque (ou italiana); B - Caldeira em V; C – Caldeira cilíndrica (adaptado de Langefors et al[92], 1976).

46


4.3.2.3. Danos Causados ao Maciço A utilização de explosivos tem a finalidade de fracturar a rocha e provocar o seu movimento em relação à face livre, de forma a promover a extracção (ou arranque). O maciço rochoso é, desta forma, desagregado pela energia do explosivo, resultando um conjunto de blocos (escombro), que é posteriormente removido. Nesta acção dos explosivos, existem inevitáveis efeitos secundários sobre o maciço remanescente, provocados pela energia libertada. Estes danos, na sua vertente nefasta, são traduzidos por fenómenos de sobreescavação e sobrefracturação, com o consequente aumento da permeabilidade do maciço. A sobreescavação é o efeito do arranque de rocha fora dos limites definidos para a abertura do túnel. Esta consequência acarreta elevados prejuízos económicos, uma vez que motiva a existência de mais escombros (maiores custos na remoção), implica maior quantidade de materiais de enchimento (maiores custos em betão) e acarreta a utilização de suportes mais competentes devido ao aumento do vão nos tectos e hasteais. Relativamente à sobrefracturação induzida à rocha que circunda a abertura (Figura 10), trata-se de um aspecto que ocasiona igualmente vários transtornos económicos e operacionais, originando maior afluência de água ao túnel (maior dispêndio em bombagem) e uma acentuada deterioração do maciço (maiores custos com o sustimento). Em termos de segurança, este efeito é igualmente nefasto porquanto aumenta o perigo de queda de blocos, reduzindo também o factor de segurança e o tempo de auto-sustentação do maciço (stand up time).

Figura 10 - Zona de rocha fracturada numa detonação.

47


Segundo Dinis da Gama[43] (1998), as principais variáveis que determinam o dano ao maciço encontram-se representadas na expressão proposta por Johnson[86] (1971): v = a Qb Dc onde:

v ≡ velocidade de pico crítica de partícula [mm/s] ; Q ≡ quantidade de explosivo por retardo [kg] ; D ≡ distância entre a detonação e o local em estudo [m] ; a, b, c ≡ constantes que dependem das características da rocha, tipo de explosivo e técnica de desmonte.

Os valores da velocidade de pico crítica v, são correlacionados com a tensão dinâmica transmitida à rocha (σ), a massa específica da rocha (ρ) e a velocidade de propagação das ondas no meio (u), através da expressão: σ=ρuv Conjugando as expressões acima apresentadas, é possível obter uma previsão da dimensão do dano (Dd) numa detonação subterrânea (Dinis da Gama[43], 1998): Dd = [(σt)/(ρ u a Qb)](1/c) em que σt representa a resistência à tracção dinâmica da rocha. Este método, desde que baseado em dados precisos relativos à rocha e aos explosivos, pode ser um elemento de grande importância na definição de planos de fogo equilibrados, bem como na previsão da zona afectada por uma detonação. Para se dimensionar o dano admissível provocado à rocha, de forma a que o conjunto de detonações não ultrapassem um determinado perímetro aceite, devem-se estudar as consequências daquelas em todos os furos, de forma a que a sobreposição dos seus efeitos se limite à zona referida (Figura 11). Como foi referido no capítulo 4.3.2.2. , a técnica de pré-corte pode reduzir estes efeitos, criando uma superfície de descontinuidade que obsta à transmissão das vibrações provenientes das restantes sequências de disparo da pega de fogo. 48


Zona de dano

Figura 11 - Condições para obter uma espessura uniforme do dano na rocha da periferia de um túnel (adaptado de Holmberg[83], 1982). Os diferentes tipos de explosivos são também uma variável importante na dimensão do dano ao maciço, possuindo diversos graus de influência. A Figura 12 ilustra uma experiência realizada com quatro tipos de explosivo, carregados em furos com os diâmetros assinalados, tendo-se obtido distintos diâmetros de fracturação da rocha (Finnrock Ab[56], s.d.).

ANFO 45 mm

GURIT 17 mm 1m

EMULITE 20 mm

DINAMITE 25 mm

Figura 12 - Magnitude na zona fracturada para diferentes tipos de explosivos (adaptado de Finnrock Ab[56], s.d.). Em síntese, o mau dimensionamento ou o deficiente estudo das implicações dos planos de fogo a utilizar nos desmontes subterrâneos, podem motivar perdas significativas em termos de segurança e de custos, geralmente recaindo as suas consequências sobre o Dono de Obra.

4.3.2.4. Segurança e Manuseamento de Explosivos O manuseamento de explosivos para fins industriais acarreta perigos óbvios, uma vez que se tratam de produtos de risco, não tanto devido à sua instabilidade mas à gravidade das consequências que resultam da sua má utilização.

49


Segundo Mello Mendes[102] (1976), as principais causas de acidentes com explosivos são: explosões prematuras, explosões retardadas, tiros falhados e restos de tiros com explosivos, bem como as acções tóxicas ou asfixiantes dos gases das explosões, manuseamento das cápsulas detonadoras e fenómenos relacionados com os disparos eléctricos. A manipulação de explosivos, desde o seu transporte e armazenamento até à sua correcta aplicação tem de observar rígidas normas de conduta por parte dos respectivos operadores, só possíveis em pessoas idóneas e de competência comprovada, formadas especificamente para o efeito, e perante um apertado sistema de controlo (Mello Mendes[102], 1976). Actualmente, o escorvamento dos explosivos é maioritariamente eléctrico, tendo-se vindo a abandonar o escorvamento pirotécnico. Este facto constitui um acréscimo acentuado de segurança, porquanto permite a interrupção da pega de fogo a qualquer momento, reduzindo igualmente o tempo de espera de acesso à frente no caso de uma detonação falhada. O escorvamento eléctrico possui, contudo, a desvantagem de poder ser accionado por correntes eléctricas não controladas, tanto de origem humana (cabos de electricidade, telemóveis, etc.) como correntes naturais existentes (electricidade estática). Assim, existem actualmente escorvamentos do tipo NONEL (non electric detonating cord), não eléctricos, que são compostos por cordões semelhantes a cordões detonantes, mais seguros e menos ruidosos. A utilização deste sistema é recomendada actualmente em alguns países (Dowding e Aimone[44], 1992 e USBM[162], 1983). As principais regras e cuidados a ter no armazenamento, transporte e emprego de explosivos em obra são: • armazenamento em local apropriado, isolado (de populações, fontes combustíveis ou eléctricas) e guardado, acondicionando devidamente os explosivos longe de fontes de calor e de frio, de fogo, de energia eléctrica e de água ou humidade; • armazenamento em locais diferentes e distantes, entre si, dos explosivos, dos iniciadores (detonadores) e dos explosores (disparadores); • transporte de explosivos devidamente acondicionados, em veículo apropriado e sinalizado, e longe de fontes de calor e de frio, de fogo, de energia eléctrica e de água ou humidade;

50


• transporte selectivo por tipos de explosivo, evitando a mistura de diferentes tipos e jamais transportar simultaneamente no mesmo veículo explosivos e detonadores; • desimpedir as vias de circulação e acessos de equipamentos e pessoas; • carregamento e escorvamento das cargas explosivas apenas por pessoal formado para tal, na ausência de outros funcionários nas imediações, tendo o responsável de fogo a posse da chave do explosor; • emitir avisos sonoros e/ou luminosos antes da detonação, perceptíveis a distância apropriada; • garantir a evacuação de toda a zona de rebentamento e área de influência (prevenir os efeitos da projecção de blocos); • após a detonação, reforçar os sistemas de ventilação por tempo conveniente, para que se processe a remoção dos gases nocivos; • após a detonação, proceder à verificação da frente de desmonte, por pessoal especializado, nomeadamente o responsável de fogo do Empreiteiro e os elementos da Fiscalização, de forma a garantir a inexistência de explosivos não detonados. • verificadas as condições de segurança, emitir um aviso sonoro diferente do primeiro, indicando que a frente se encontra desimpedida e segura, para prossecução dos trabalhos.

As detonações acidentais constituem um elevado risco, podendo acarretar graves consequências para os intervenientes na obra e para as populações, estruturas e ambiente circundante. É pois matéria que deve merecer especial atenção por parte das entidades envolvidas, devendo-se adoptar uma postura inflexível no que respeita à conduta e normas de segurança. Em obras onde é usual a utilização de explosivos, torna-se frequente que estes produtos sejam encarados, de forma negligente e abusiva, como outro tipo de materiais não perigosos. Cabe aos responsáveis técnicos em obra, nomeadamente às chefias do Empreiteiro e aos elementos da Fiscalização, a observância das normas de segurança inerentes à correcta utilização e armazenamento de matérias explosivas.

51


4.3.3. ESCAVAÇÃO MECÂNICA A tecnologia associada aos equipamentos mecânicos é bastante complexa, envolvendo distintos componentes que variam quanto à forma, técnica de emprego e campo de aplicação. A descrição apresentada neste subcapítulo não pretende ser exaustiva, propondo-se apenas aflorar os principais tipos de máquinas existentes e o seu domínio de aplicação. O desmonte mecânico de um túnel pode ser realizado, sem prejuízo das variantes existentes, por dois métodos principais: abertura em secção plena e abertura faseada. Os equipamentos mecânicos mais utilizados na escavação de túneis incluem tuneladoras (TBM - Tunneling Boring Machine), para abertura em secção plena, e roçadoras, retroescavadoras e martelos hidráulicos, para abertura parcial faseada. A evolução dos equipamentos hidráulicos e tuneladoras, veio alargar a sua faixa de acção no que respeita à capacidade de desmonte de vários tipos de rocha, conferindo-lhes bastante versatilidade. Existem diversos tipos de tuneladoras (Figura 13), tendo como características comuns a perfuração integral do túnel e a estrutura própria de colocação do sustimento (geralmente aduelas). Estes equipamentos estão providos de escudos para escavação em rochas brandas, solos ou terrenos saturados, com exigência de colocação imediata de sustimento. Segundo López Jimeno e Díaz Méndez[98] (1997), as TBM permitem escavar rochas com resistência à compressão até 300 - 350 MPa porém, os avanços mais significativos verificam-se em rochas de dureza média a baixa, com resistências inferiores a 120 MPa. Um dos factores que rege a aplicabilidade destes equipamentos prende-se com o terreno de fundação que terá de possuir resistência suficiente à força exercida pelas sapatas e lagartas das tuneladoras, no seu movimento ao longo do túnel. As roçadoras destinam-se a escavar maciços com resistência à compressão entre 80 e 120 MPa, constituídos por rochas pouco abrasivas, de baixa tenacidade e alguma fracturação. Assim, estes equipamentos são utilizados fundamentalmente em rochas brandas, existindo diferentes variedades com diversos tipos de cabeças, adequados às diferentes características do material a escavar (Figura 14).

52


A

B

Figura 13 - A - Tuneladora sem escudo (adaptado de Fernandéz Gonzaléz[53], 1997); B - Tuneladora com escudo (adaptado de Gallerie[59], 1996).

A

B

Figura 14 - A – Roçadora de braço (adaptado de Ferrocemento[55], s.d.).; B - Roçadora de braço Noell – NTM 160H (adaptado de López Jimeno e García Bermúdez[99], 1997). As retroescavadoras e os martelos hidráulicos, aplicáveis apenas em maciços terrosos ou rochosos muito brandos, possuem uma tecnologia convencional, dependendo a sua aplicabilidade do espaço disponível e das características do material a escavar. Em túneis com constrangimentos próprios, nomeadamente em zonas urbanas e com materiais brandos e heterogéneos, estes equipamentos podem tornar-se numa alternativa rentável à utilização de explosivos ou de tuneladoras. Dentro das técnicas de escavação mecânica existem ainda bastantes tipos de equipamentos, nomeadamente máquinas de pré-corte mecânico e desmonte com equipamentos mecânicos manuais. Os equipamentos disponíveis no mercado possuem especificações técnicas dos fabricantes, com dados relativos ao avanço, potência e campos de aplicação, devendo a sua escolha ser alvo de critérios e estudos de detalhe que abranjam todo o desenvolvimento linear do túnel.

53


Neste contexto, a escolha do equipamento de escavação, da responsabilidade do Projectista (e do Consultor Geotécnico), deverá também atender às disponibilidades dos equipamentos dos Empreiteiros, salvo em obras de grande porte onde poderão ser adquiridos equipamentos específicos. No desmonte de maciços heterogéneos, com ocorrência simultânea de materiais brandos e duros, poderá ser conveniente a utilização de métodos mistos, isto é, aplicação de explosivos e arranque mecânico. Esta variante inclui, geralmente, a aplicação de tiros de caldeira e o posterior desmonte mecânico, destinando-se os explosivos a fracturar a rocha e criar uma pequena cavidade que facilita a acção mecânica subsequente.

54

5. SUPORTE DE MACIÇOS ROCHOSOS


5.1. INTRODUÇÃO A abertura de uma cavidade subterrânea induz uma alteração no estado de tensão pré-existente no maciço, motivando, na maioria dos casos, a necessidade de instalação de sistemas de suporte que garantam a estabilidade dessa cavidade. O objectivo primordial do projecto de suporte de uma escavação subterrânea, consiste na utilização da rocha como o principal material estrutural resistente. Assim, deve-se evitar deteriorar o maciço no decorrer da escavação, de forma a aplicar o mínimo de elementos artificiais de sustimento. No seu estado natural, quando sujeitas a acções de compressão, a maioria das rochas duras são bastante mais resistentes que o betão e algumas são mesmo tão resistentes como o aço. Desta forma, não faz sentido substituir um determinado material, por outro que não lhe é superior (Hoek e Brown[80], 1980). Segundo Hoek e Brown[80] (1980), as principais fontes de instabilidade que ocorrem numa cavidade subterrânea são: 1) ocorrência de condições adversas em termos de geologia estrutural; 2) ocorrência de excessivas tensões in situ;

55


3) expansão ou decomposição da rocha por acção da água ou ar; 4) pressão hidráulica ou percolação de água.

Relativamente ao primeiro ponto, as causas de instabilidade referem-se à presença de falhas e descontinuidades em rochas competentes que, pela sua atitude, podem individualizar volumes de rocha. Nestes casos, e sempre que as condicionantes de serviço o permitam, as condições de estabilidade podem ser melhoradas através da reorientação do traçado do túnel, bem como pela aplicação de pregagens e ancoragens. A elevada magnitude das tensões in situ são geralmente características de rochas duras, de elevadas profundidades ou de cavidades de grande dimensão. Estas condições podem-se verificar na escavação de túneis em regiões montanhosas muito escarpadas. Uma forma de mitigar os efeitos nefastos assim provocados, consiste em ajustar a orientação e a forma da secção do túnel de acordo com o estado de tensão existente ou, se tal não for possível, promover um substancial reforço do suporte. A instabilidade devida à expansão ou decomposição da rocha por acção da água ou ar, ocorre geralmente em maciços rochosos brandos ou em camadas e filões intercalados em rochas duras. Nestes casos, as medidas preventivas a adoptar consistem em isolar esses locais através de revestimentos que impeçam a exposição da rocha ao ar e à água. As instabilidades devidas à pressão ou percolação de água, podem ocorrer em praticamente qualquer tipo de maciço rochoso. Os efeitos nefastos devidos a estas circunstâncias só atingem proporções significativas quando associadas a um ou mais dos pontos anteriores. Nestes casos, as medidas a adoptar passam pela drenagem e/ou revestimento do túnel de forma a reduzir a pressão e reencaminhar o fluxo de água. A presença de dois ou mais dos fenómenos atrás descritos, aliados às condicionantes geológicas e de serviço do túnel, pode motivar da parte dos técnicos envolvidos, a adopção de soluções de compromisso, com vista a integrar todos os aspectos identificados, inclusivamente os aspectos intangíveis (Hoek e Brown[80], 1980). O suporte requerido por uma escavação depende fundamentalmente dos tipos e graus de fracturação da rocha envolvida e dos níveis de tensão actuantes, originando as roturas típicas apresentadas na Tabela 6.

56


Tabela 6 - Tipos de rotura que ocorrem em diferentes maciços rochosos sob diferentes níveis de tensão in situ (adaptado de Hoek et al[82], 1995) NÍVEIS DE TENSÃO BAIXOS

NÍVEIS DE TENSÃO ELEVADOS

Maciço rochoso com tensão in situ baixa. Resposta linear elástica praticamente sem rotura

Maciço rochoso com tensão in situ elevada. Nos limites da abertura, em pontos de concentração de tensões, iniciam-se fenómenos de lascamento, desplacamento e esmagamento que se propagam ao maciço circundante.

R O C H A M A C I Ç A

R O C H A F R A C T U R A D A

Maciço rochoso fracturado com tensão in situ baixa. Os blocos ou cunhas formados pela intersecção de diaclases com diferentes orientações, soltam-se e escorregam devido à acção da gravidade.

Maciço rochoso fracturado com tensão in situ elevada. A rotura ocorre como resultado do deslizamento segundo as superfícies das diaclases e também pelo esmagamento e fendilhamento dos blocos rochosos.

Maciço rochoso muito fracturado com tensão in situ baixa. A superfície da abertura rompe como resultado do emaranhado de pequenos blocos ou cunhas, formados pela quantidade de descontinuidades que o maciço apresenta. A rotura pode propagar-se facilmente, se não for controlada.

Maciço rochoso muito fracturado com tensão in situ elevada. O maciço circundante à abertura rompe por deslizamento nas superfícies das descontinuidades e por esmagamento de pequenos blocos de rocha. Este tipo de rotura tende a provocar o levantamento da soleira e forte convergência dos hasteais.

R O C H A M. F R A C T U R A D A

57


A Tabela 7 apresenta sumariamente os problemas típicos, os parâmetros críticos, os possíveis métodos de análise e os critérios de aceitabilidade em escavações subterrâneas.

CRITÉRIOS DE ACEITABILIDADE

MÉTODOS DE ANÁLISE

PARÂMETROS CRÍTICOS

PROBLEMAS TÍPICOS

ESTRUTURAS

Tabela 7 – Problemas, parâmetros, métodos de análise e critérios de aceitabilidade em escavações subterrâneas (adaptado de Hoek[81], 1991).

Túneis em pressão em projectos hidroeléctricos Escoamento excessivo a partir de túneis sem revestimento ou revestidos a betão. Rotura ou deformação do revestimento em aço devido a deformação da rocha ou pressões externas. • Relação entre a máxima pressão hidráulica no túnel e a tensão principal mínima da rocha circundante • Comprimento do revestimento em aço e a eficiência do grouting • Nível de água no maciço rochoso

Determinação do recobrimento mínimo ao longo do traçado do túnel a partir de topografia pormenorizada. Análise de tensões de secções transversais e longitudinais ao eixo do túnel. Comparação entre a tensão principal mínima e a pressão hidráulica máxima para determinar o comprimento de revestimento em aço. Requer revestimento em aço onde a tensão principal mínima no maciço rochoso é menor que 1,3 vezes a carga estática máxima das operações hidroeléctricas ou 1,15 para operações com pressões dinâmicas muito baixas. São necessários testes de pressão hidráulicas em furos de sondagens para confirmar os pressupostos de projecto

Túneis em rocha branda

Túneis pouco profundos em rocha fracturada

Análise de tensões usando métodos numéricos de modo a determinar a extensão das zonas de rotura e o deslocamento do maciço rochoso. Análise da interacção rocha-suporte usando métodos numéricos para determinar a capacidade e sequência de instalação do suporte e para estimar deslocamentos no maciço rochoso.

Quedas por gravidade ou deslizamento de cunhas ou blocos definidos pela intersecção de fracturas Quedas do material da superfície suportado inadequadamente • Orientação, inclinação e resistência ao cisalhamento das descontinuidades estruturais do maciço rochoso • Forma e orientação da escavação • Qualidade da perfuração e detonação durante a escavação • Capacidade e sequência de instalação do sistema de suporte Técnicas de projecção esférica ou métodos analíticos são usados para determinação e visualização das cunhas do maciço rochoso circundante ao túnel Análise de equilíbrio limite das cunhas críticas é usada para estudos paramétricos do modo de rotura, factor de segurança e necessidade de suporte.

A capacidade de suporte instalado deve ser suficiente para estabilizar o maciço rochoso e limitar as convergências até um nível aceitável. As tuneladoras e as estruturas internas devem ser projectadas tendo em conta a convergência do túnel como resultado da expansividade e da deformação ao longo do tempo. A monitorização é um aspecto importante do controlo de construção

O factor de segurança, incluindo os efeitos de reforço, deverão ser excedidos 1,5 para o deslizamento e 2,0 para a queda de cunhas e blocos. A sequência de instalação do suporte é crítica e as cunhas e blocos devem ser identificados e suportados antes de serem totalmente expostos pela escavação. A monitorização dos deslocamentos terá pouco valor

Rotura do maciço rochoso onde a resistência é excedida pelas tensões induzidas. Dão-se fenómenos de expansividade, retracção ou convergência excessiva se o suporte for inadequado. • Resistência do maciço rochoso e das descontinuidades estruturais • Potencial de expansividade, em particular das rochas sedimentares • Método e sequência de escavação • Capacidade e sequência de instalação do sistema de suporte

58


Assim, os sistemas de suporte a utilizar têm de possuir características de forma e resistência adequadas, para o tipo de maciço existente e para as condições geomecânicas do local. O suporte primário de um túnel é aquele cuja aplicação ocorre imediatamente a seguir à escavação e, preferencialmente, no menor espaço de tempo possível. O objectivo deste tipo de suporte prende-se com a necessidade de estabilizar a cavidade, de forma a garantir a segurança dos trabalhos futuros e a geometria desejável. Por outro lado, o suporte secundário ou definitivo destina-se a garantir a estabilidade a longo prazo e a estabelecer as condições de serviço da infraestrutura. Nos itens seguintes serão abordados os métodos de cálculo e os tipos de suporte de túneis, bem como o novo método austríaco de construção de túneis, procurando-se identificar as suas vantagens e inconvenientes, numa perspectiva de aplicação geotécnica.

5.2. MÉTODOS DE SUPORTE PRIMÁRIO 5.2.1.

DIMENSIONAMENTO DE SUPORTES

5.2.1.1. Considerações Gerais A instalação do suporte primário de túneis, também denominado de provisório ou temporário, é uma fase construtiva de extrema importância na execução de um túnel. Na maioria das obras subterrâneas, o suporte primário permanece instalado por todo o período de vida da obra, uma vez que não é retirado aquando da instalação do suporte secundário ou definitivo. O facto destes suportes constituírem elementos que perduram para lá da fase construtiva, merece duas considerações importantes para o dimensionamento. Por um lado, a circunstância do sustimento primário cumprir a sua função efectiva apenas por curto período de tempo, correspondente à execução da obra, deve ser tomado em consideração nos cálculos, uma vez que o seu carácter temporário deve contribuir para a redução do factor de segurança atribuído a estes elementos. Por outro lado, ao ser assumida a não remoção dos suportes primários, garante-se a sua actividade por todo o período de serviço, facto que deverá ser incorporado no dimensionamento dos suportes definitivos a aplicar na obra. A abordagem do dimensionamento do suporte provisório, à semelhança das campanhas de prospecção e projecto, deverá decorrer por fases, com critérios sucessivamente mais 59


precisos em virtude do gradual acréscimo de informação. Este procedimento é vantajoso em termos económicos, uma vez que compatibiliza o custo de projecto com o rigor necessário a cada etapa.

5.2.1.2. Classificações Geomecânicas Num estágio de Estudo Prévio, quando a informação disponível é deficitária em elementos rigorosos, o cálculo de sustimentos deve ter o propósito de balizar as soluções dentro de limites aceitáveis, evitando limitar excessivamente as soluções. Nesta fase, as Classificações Geomecânicas são um instrumento útil, e geralmente de detalhe suficiente, para alcançar os objectivos pretendidos, tanto mais que fornecem uma aproximação do tempo de autosustentação para um determinado vão (autoportância). Existem, actualmente, várias classificações geomecânicas, propostas por diversos autores, destacando-se entre elas as classificações de Bieniawski e de Barton em virtude de constituírem as de aplicação mais frequente e consequentemente as de maior experiência acumulada (Melâneo[105], 1994). A classificação geomecânica proposta por Bieniawski, bastante versátil e de fácil utilização, considera cinco parâmetros característicos do maciço rochoso, atribuindo a cada um diferentes pesos relativos (Tabela 8). Os parâmetros que determinam esta classificação são (Pereira[135], 1996): 1) Resistência à compressão uniaxial da rocha ou o índice de resistência à compressão pontual [MPa]; 2) Índice RQD, relativo à qualidade da perfuração [%]; 3) Grau de fracturação do maciço, através do espaçamento médio entre descontinuidades [m]; 4) Estado das descontinuidades, segundo a rugosidade [qualitativo]; 5) Condições hidrogeológicas, aferidas pelo caudal de água em cada troço de 10 m de túnel [l/min] ou pela relação entre a pressão da água intersticial e a tensão principal máxima [adim.] ou pelas condições gerais (seco, ressurgências, etc.).

60


O somatório dos pesos, obtidos pelas ponderações acima referidas, é ainda corrigido segundo as características de orientação das descontinuidades (ângulos e posição relativa ao eixo do túnel). Deste modo, resulta um valor final, denominado RMR (Rock Mass Rating), que determina a classe a que o maciço rochoso pertence, numa escala de I a V, crescente com a diminuição de qualidade do maciço.

Tabela 8 - Classificação de maciços rochosos de Bieniawski (adaptada de Dinis da Gama[35], 1976 e Brady e Brown[12], 1985).

1

3

4

Resistência à compressão simples

> 200 MPa

Pesos

15

12

7

4

R.Q.D.

90-100 %

75-90 %

50-75 %

25-50 %

< 25%

Pesos

20

17

13

8

3

Espaçamento entre fracturas

>3m

1-3 m

0,3-1 m

50 - 300 mm

< 50 mm

Pesos

30

25

20

10

5

Condições físicas e geométricas das fracturas

Sup. muito rugosas sem continuidade fechadas sem preenchimento

Sup. Pouco rugosa abertura < 1mm sem alteração

Sup. Pouco rugosa abertura < 1 mm alteração adjacente

Enchimento argiloso < 5 mm espessura; abertura 1 a 5 mm diaclases contínuas

Enchimento argiloso com espessura > 5 mm abertura > 5 mm diaclases contínuas

Pesos

25

20

12

6

0

Pequenas escorrências (25 l/min.)

Ressurgência com pequena pressão (25125 l/min)

Fortes ressurgências (125 l/min.)

7

4

0

Água subterrânea (por 5 10 m de túnel)

Completamente seco

Pesos

6

100-200 MPa

10

50-100 MPa

25-50 MPa

< 25 MPa 10-25

3-5

1-3

2

1

0

Orientação das descontinuidade s

Muito favorável

Favorável

Razoável

Desfavorável

Muito desfavorável

Pesos

0

-2

-5

-10

-12

Com base nestas cinco classes é possível determinar vários valores de interesse para a caracterização do maciço rochoso, como o RMR, requisitos de suporte e escavação (Tabela 9), valores característicos para a coesão e ângulo de atrito, o vão máximo, o tempo de autosustentação (Figura 15), e o módulo de deformabilidade do maciço (Bieniawski[10], 1984).

61


Tabela 9 - Classes de maciços rochosos para túneis e tipos de revestimento mais adequados (adaptada de Bieniawski, 1973 in Dinis da Gama[35], 1976). I

II

III

IV

V

Descrição da qualidade

Muito boa

Boa

Razoável

Má

Muito má

RMR

100-90

90-70

70-50

50-25

<25

Coesão do maciço rochoso

>300 KPa

300-200 KPa

200-150 KPa

150-100 KPa

<100 KPa

Ângulo de atrito do maciço

>45º

45º-40º

40º-35º

35º-30º

<30º

Período da estabilidade sem revestimento

10 anos para um vão de 4 m

6 meses para um vão de 4 m

1 semana para um vão de 3 m

5 horas para um vão de 1,5 m

10 minutos para um vão de 0,5 m

Ancoragens

Classe

Sem

Betão projectado

necessidade de suporte

(excepto pregagens pontuais)

Cimbres

Tipos de revestimento (vãos de 5 a 15 m e escavações com explosivos)

Ancoragens Ancoragens Ancoragens espaçadas 1,0 a espaçadas 1,0 a 1,5 espaçadas 0,52 m mais malha m aplicadas com 1m sobre rede metálica em rede metálica mais metálica mais 3 certas zonas do betão projectado a 5 cm de betão tecto com 3 cm de projectado no espessura no tecto tecto e paredes quando necessário

Não se recomenda só pregagens

Betão Betão projectado Betão Betão projectado projectado com com 10 cm de projectado com com 20 cm de 5 cm de espessura no tecto 15 cm de espessura no espessura e 5cm nas paredes espessura no tecto e 15 cm nas apenas no mais malha tecto e 10 cm paredes sobre coroamento metálica em certas nas paredes mais rede metálica zonas e ancoragens rede metálica e mais pregagens e sempre que ancoragens cimbres metálicos necessário afastadas 1,5 a ligeiros 3m Em geral não é económico

Cimbres ligeiros Cimbres médios Cimbres afastados 1,5 a 2m espaçados 0,7 a resistentes 1,5 m mais 5 cm espaçados 0,7 m de betão Betão projectado projectado no com 8 cm de tecto e paredes espessura a aplicar logo após o desmonte a fogo

62


HORAS 10

1

20

DIAS 10 20 1

1

MESES 5 10 1

10

ROCHA MUITO BOA

80

15

ANOS 5

I 60

VÃO LIVRE (m)

10 8 7

II

40

5

ROCHA RAZOÁVEL

4

60

III

3

20

ROCHA MÁ

40

IV

2 ROCHA MUITO MÁ

80

ROCHA BOA

20

V

1 0,8 0,5 1

10

102

103

104

HORAS

PERIODO DE ESTABILIDADE SEM REVESTIMENTO

Figura 15 - Variação entre os vãos de cavidades sem suporte e os tempos de autosustentação para as várias classes de maciço (adaptado de Bieniawski, 1973 in Dinis da Gama[35], 1976).

A classificação geomecânica de Barton et al considera, na sua análise, seis parâmetros: 1) Índice RQD, da qualidade da furação [%]; 2) Grau de fracturação do maciço Jn, ponderado de acordo com o número de famílias de descontinuidades presentes e a sua posição relativa; 3) Estado das descontinuidades Jr, segundo a rugosidade; 4) Grau de alteração das descontinuidades Ja, de acordo com o grau de alteração e preenchimento das descontinuidades; 5) Condições hidrogeológicas Jw, aferidas pelo caudal de água; 6) Estado de tensão in situ SRF, relativo às ocorrências de zonas de baixa resistência.

Os parâmetros da classificação de Barton são apresentados na Tabela 10.

63


Tabela 10 - Parâmetros do sistema Q da Classificação de Barton (adaptado de Barton et al[7], 1982). FACTOR DE Nº DE DESCONTINUIDADE A. B. C. D. E. F. G. H. I.

Jn

Rocha maciça ou com apenas algumas fracturas dispersas ………………………................... Uma família de descontinuidades ………………………………………………...................... Uma família de descontinuidades mais algumas fracturas dispersas ....................................... Duas famílias de descontinuidades ......................................................................................... Duas famílias de descontinuidades mais algumas fracturas dispersas ...................................... Três famílias de descontinuidades .......................................................................................... Três famílias de descontinuidades mais algumas fracturas dispersas ....................................... Quatro ou mais famílias de descontinuidades dispersas, muito próximas, ..................................... Rocha decomposta, com comportamento de solo.....................................................................

0,5 - 1,0 2 3 4 6 9 12 15 20

OBS. (1) No caso de intersecções de fracturas usar 3xJn; (2) No caso dos emboquilhamentos usar 2xJn

FACTOR DE RUGOSIDADE DAS DESCONTINUIDADES

A. B. C. D. E. F. G. H. I.

Jr

(a) Contacto entre as paredes da descontinuidade e (b) Contacto entre as paredes da descontinuidade com deslocamento relativo < 10 cm Juntas descontínuas ……………………………….........…………………………............... Rugosas ou irregulares, ondulantes ……………….........…………………………….............. Pouco rugosas, ondulantes ………………………….........…………………………................ Polidas, ondulantes ……………………………….........……………………………............... Rugosas ou irregulares, planas …………….............…………………………………............. Pouco rugosas, planas …………………….........……………………………………............... Polidas, planas …………………………….........…………………………………….............. (c) Falta de contacto entre as paredes da descontinuidade, após deslocamento relativo Zona com minerais argilosos suficientemente espessa para impedir contacto entre as paredes da descontinuidade ................................................................................................................ Zona com areia, cascalho ou material fragmentado, suficientemente espessa para impedir o contacto entre as paredes das descontinuidades ......................................................................

4 3 2 1,5 1,5 1,0 0,5

1,0 1,0

OBS. (1) As descrições referem-se a características de pequena escala e escala intermédia, por essa ordem; (A a G); (2) Acrescentar 1,0 se o espaçamento médio da família da descontinuidade em causa for superior a 3 m; (3) Jr = 0,5 pode utilizar-se para descontinuidades planas e polidas, com lineações, desde que estas estejam orientadas para resistência mínima.

FACTOR DE ALTERAÇÃO DA DESCONTINUIDADE (a) Contacto entre as paredes das descontinuidades A. Paredes duras, compactas, preenchimentos impermeáveis (quartzo ou epídoto) ... B. Paredes sem alteração, somente ligeira coloração ................................................ C. Paredes ligeiramente alteradas, com partículas arenosas e de rochas desintegradas sem argila ........................................................................................................... D. Paredes com películas siltosas ou areno-argilosas e pequena quantidade de argila E. Paredes com películas de materiais moles ou de pequeno ângulo de atrito (caolite ou mica). Também clorite, talco, gesso, grafite, e pequenas quantidades de argilas expansivas ............................................................................................. (b) Contacto entre as paredes das descontinuidades com deslocamento relativo < 10 cm F. Paredes com partículas de areia, rocha desintegrada sem argila .......................... G. Fracturas com preenchimento argiloso muito sobreconsolidado (contínuo, espessura <5mm) ............................................................................................... H. Fracturas com preenchimento argiloso com média a baixa sobreconsolidação (contínuo, espessura < 5 mm) .............................................................................

64

Ja

φr

0,75 1

(-) 25-35º

2 3

25-30º 20-25º

4

8-16º

4

25-30º

6

16-24º

8

12-16º


A. Fracturas com preenchimento argiloso expansivo, por exemplo, montmorilonite (contínuo, espessura <5mm). O valor de Ja depende da percentagem de argila expansiva, do acesso à água, etc.......................................................................... (c) Não há contacto entre as paredes das descontinuidades, com deslocamento relativo K,L,M. Zonas ou faixas com rocha desintegrada ou fracturada e argila (ver G, H, J para condições do material argiloso ................................................................... N. Zonas ou faixas siltosas ou areno-argilosas com pequenas quantidades de argila O, P, R. Zonas ou faixas espessas e contínuas de argila (ver G, H, J para condições do material argiloso) ...........................................................................................

FACTOR DE REDUÇÃO HIDRÁULICA A. Escavações a seco, ou mínimas afluências de água, isto é, < 5 l/min, localmente B. Afluências ou pressões médias, lavagem dos preenchimentos, ocasionalmente .. C. Afluências elevadas ou pressões elevadas em rocha competente com fracturas sem preenchimentos ...................................................................... D. Afluências elevadas ou pressões elevadas com lavagens consideráveis dos preenchimentos .................................................................................................. E. Afluências excepcionalmente elevadas ou pressões de água “explosivas”, decaindo com o tempo ........................................................................................ F. Afluências excepcionalmente elevadas ou pressões de água “explosivas”, contínuas sem diminuição com o tempo ..............................................................

8-12

6-12º

6, 8 ou 8-12 5

6-24º (-)

10, 13 ou 1320 Jw

6-24º

1 0,66

Pw (MPa) <0,1 0,1-0,25

0,5

0,25-1

0,33

0,25-1

0,2-0,1

>1

0,1-0,05

>1

OBS. (1) Os valores de C a F são estimativas grosseiras. Se forem instaladas medidas de drenagem, aumentar Jw; (2) Não foram considerados problemas específicos causados pela formação de gelo.

FACTOR SFR (Stress Reduction Factor) (a) Zonas fracas intersectadas pela escavação que poderão causar perda de maciço rochoso quando o túnel for escavado A. Ocorrência de múltiplas zonas fracas, contendo argila ou rocha decomposta (quimicamente); rocha envolvente muito solta (qualquer profundidade) ................................ B. Zona fraca única contendo argila ou rocha decomposta quimicamente (profundidade de escavação ≤50m) ................................................................................................................. C. Zona fraca única contendo argila ou rocha decomposta quimicamente (profundidade de escavação >50m) ................................................................................................................ D. Zonas de corte múltiplo em rocha competente (sem argila), rocha envolvente solta (qualquer profundidade) ........................................................................................................................ E. Zona de corte única em rocha competente e sem argila (profundidade de escavação ≤ 50 m) ......... F. Zona de corte única em rocha competente e sem argila (profundidade de escavação > 50 m) ......... G. Fracturas abertas, muito próximas, tipo “cubo de açúcar” (qualquer profundidade) ............... (b) Rocha competente, problemas de tensão H. Baixa tensão; próximo da superfície (σc/σ1 > 200 e σt/σ1 > 13) .............................................. I. Tensão média (10<σc/σ1<200; 0,66<σt/σ1<13) ...................................................................... J. Tensão elevada, estrutura muito compacta, usualmente favorável à estabilidade, poderá ser desfavorável à estabilidade das paredes (5<σc/σ1<10; 0,33<σt/σ1<0,33) ................................ K. “Golpe de terreno” suave (2,5<σc/σ1<5; 0,16<σt/σ1<0,33) ..................................................... L. “Golpe de terreno” (σc/σ1<2,5 e σt/σ1<0,16) .......................................................................... (c) Rocha compressível; fluência plástica de rocha branda sob influência de elevada pressão rochosa M. Pressão rochosa média de compressibilidade .......................................................................... N. Pressão rochosa elevada de compressibilidade ....................................................................... (d) Rocha expansiva, dependente da presença de água O. Pressão rochosa média de expansibilidade .............................................................................. P. Pressão rochosa elevada de expansibilidade ............................................................................

65

SFR

10 5 2,5 7,5 5 2,5 5 2,5 1 0,5-2 5-10 10-20

5-10 10-20 5-10 10-15


OBS. (1) De A a G, reduzir os valores de SRF em 50% se as zonas de corte só influenciarem mas não intersectarem a escavação. (2) De H a L, para um campo de tensões in situ fortemente anisotrópico (caso medido); quando 5<σ1/σ3≤10, reduzir σc e σt para 0,8σc e 0,8σt. Quando σ1/σ3>10, reduzir σc e σt para 0,6σc e 0,6σt, onde σc corresponde à tensão de compressão não confinada e σt à resistência à tracção (Point Load) e σ1 e σ3 as tensões principais máxima e mínima. (3) Existem poucos casos disponíveis, onde a profundidade do tecto abaixo da superfície é menor do que a largura do vão. Nestes casos, sugere-se que SRF seja aumentado de 2,5 para 5 (ver H).

A. B.

C. D. E. F.

FACTOR ESR - Escavation Support Ratio Aberturas mineiras temporárias ............................................................................................. Poços de minas 1. com secção circular .......................................................................................................... 2. com secção quadrada ou rectangular ................................................................................. Aberturas mineiras permanentes; túneis hidráulicos para centrais hidroeléctricas (excluindo comportas de alta pressão); túneis piloto, galerias para grandes escavações, etc................................ Câmaras de armazenamento, estações de tratamento de água, estradas menores e túneis ferroviários (cavernas hemisféricas) ....................................................................................... Estações eléctricas, túneis maiores para estradas e ferrovias, câmaras de protecção civil, etc........... Estações nucleares subterrâneas, estações ferroviárias, fábricas, etc........................................

ESR ca.3-5 ca.2,5 ca.2,0 1,6 1,3 1 ca.0,8

NOTAS ADICIONAIS A TER EM CONTA NA UTILIZAÇÃO DA TABELA ANTERIOR Quando se faz estimativas da qualidade do maciço rochoso (Q), as seguintes considerações deverão ser seguidas: 1 - Quando não existem sondagens, o RQD pode ser estimado através do número de fracturas por unidade de volume, ao qual é adicionado o número de fracturas por metro em cada família. Poderá ser utilizada uma simples relação para converter este número em RQD, no caso de maciços rochosos sem argila (Palmstrφm, 1975): RQD = 115 - 3,3 Jv, sendo Jv o número total de fracturas por metro cúbico (RQD = 100% se Jv < 4,5). 2 - O parâmetro Jn, que representa o nº de famílias, é afectado muito frequentemente pela foliação, xistosidade ou estratificação. Se forem muito marcadas (ou desenvolvidas) estas descontinuidades deverão ser obviamente ser consideradas como uma família de descontinuidades. No entanto, se forem identificados só alguns destes planos, ou apenas fracturas ocasionais nos tarolos das sondagens devido a estes planos, será mais apropriado considerá-las como fracturas ocasionais quando se avaliar Jn. 3 - Os parâmetros Jr e Ja (representando a resistência ao corte) deverá ser relevante para a família mais fraca ou com preenchimentos argilosos. No entanto, se a família de descontinuidades com o valor mínimo tem orientação favorável para a estabilidade, então uma segunda família com orientação mais desfavorável poderá ter maior importância e o seu maior valor de Jr/Ja deverá ser usado para avaliar Q. O valor de Jr/Ja deverá ser o relacionado com a superfície mais provável para a rotura se iniciar. 4 - Quando uma massa rochosa contiver argila, o factor SRF apropriado para a perda de carga deverá ser avaliado na tabela anterior. Nestes casos, a resistência do maciço rochoso intacto terá pouco interesse. No entanto, quando a fracturação é pouco intensa e a argila é totalmente ausente, a resistência do maciço rochoso intacto poderá tornar-se o ponto mais fraco e a estabilidade dependerá então da relação tensão na rocha / resistência da rocha. Um campo de tensões fortemente anisotrópico é desfavorável para a estabilidade e é toscamente estabelecida como indicado nas observações da tabela. 5 - As tensões de compressão e de Carga Pontual (σc e σt) na rocha intacta deverá ser avaliada em condições saturadas se tal for apropriado, tendo em consideração condições in situ, no presente ou no futuro. Uma estimativa muito conservativa das tensões devem ser feitas para aquelas rochas que se deteriorem em condições saturadas ou mistas.

Com este critério de caracterização, Barton estabeleceu uma expressão empírica para o cálculo do índice de qualidade do maciço rochoso, Q, sendo: Q = (RQD/Jn) . ( Jr,/ Ja) . (Jw/SRF) .

66


Com o valor de Q, é possível determinar o tempo de autoportância, o vão máximo sem necessidade de suporte, bem como os tipos de suporte a instalar para cada valor da qualidade de maciço (Figura 16). A abordagem deste autor permite ainda bastantes correlações com aspectos importantes, como o tamanho médio dos blocos de rocha (RQD/Jn), a resistência ao deslizamento das descontinuidades (Jr/Ja) e, através de uma expressão empírica, permite ainda estimar o módulo de deformabilidade do maciço rochoso.

Classes de Rocha

Vão sem suporte ou altura (m)

F

E

D

C

B

Excepcion. Má

Extremam. má

Muito má

Má

Med .

Boa

2 ,3 m

2 ,5 m

Espaçamento entre pregagens em áreas com betão projectado

A Muit o Boa

Extrem. Boa

Exc. Boa

1 ,7 m

11

1 ,5 m 1 ,3 m

7

1 ,2 m 1 ,0 m

5

CCA 9

10

Sfr 7

RRS 8

25

20

2 ,1 m

Sfr 5

Sfr 6

Sb 2

B(+S) 4

B 3

4 ,0 m

1

3

3 ,0 m

2,4

4 cm 2 ,0 m

5 cm 15

1 ,6 m

9 cm 12

Espaçamento entre pregagens em áreas sem betão projectado

1 ,3 m

1,5

1 ,0 m

1 0,001

0,01

0,1

1

10

100

Comprimento das pregagens (em m) para ESR =

100

G

1000

Q

Sb : Pregagens pontuais S : Betão projectado RRS : Cambotas +

CCA : Revestimento de betão Sfr : Betão projectado com fibra B : Pregagens sistemáticas

betão

Figura 16 – Escolha do tipo de sustimento em função da classificação Q (adaptado de Barton[9], 1995). De acordo com Bieniawski[10] (1984), não é aconselhável aplicar apenas um sistema de classificação geomecânica ou utilizar correlações entre eles, sendo preferível elaborar uma análise de sensibilidade através da comparação dos resultados das várias classificações. Este autor realça ainda, a importante vantagem, para o projectista, do acréscimo de conhecimento relativo à influência dos parâmetros geológicos no comportamento do maciço rochoso.

67


Segundo Celada Tamames[21] (1997), a aproximação empírica relativa ao suporte de um túnel, proporcionada pelas classificações geomecânicas, não pode ser considerada como um elemento real de cálculo, uma vez que padece de algumas deficiências, onde se contam as seguintes: • não permitir a quantificação dos coeficientes de segurança do sustimento; • não ter em conta o estado de tensão natural; • não considerar o efeito da forma do túnel; • não contemplar o efeito das fases de escavação; • não quantificar o efeito na envolvente motivado pela escavação, como a subsidência e a alteração do estado de tensão.

De referir que as classificações geomecânicas, como caracterização preliminar que são, apontam, muitas vezes, para soluções demasiado conservativas em termos de suportes, acarretando consequentemente elevados custos de sustimentos.

5.2.1.3. Curvas de Resposta do Terreno O método das curvas de resposta do terreno, também denominado de curvas características ou convergência - confinamento, é definido como a representação gráfica da relação entre a pressão radial aplicada no perímetro da escavação e o deslocamento radial desse perímetro no processo de estabilização (Celada Tamames[21], 1997). Devido aos problemas matemáticos inerentes à integração das equações diferenciais envolvidas nestes estudos, são geralmente utilizados os pressupostos teóricos de secções circulares e estados hidrostáticos de tensão. Assim, as variantes deste método diferem no que respeita ao critério de rotura elasto-plástico e ao comportamento do material após a rotura. É de referir que, no processo de deslocamento radial do túnel, a convergência total corresponde ao dobro desse deslocamento radial e, na prática, apenas se pode medir uma fracção dessa convergência pelo facto de grande parte da contracção ter lugar antes mesmo de se escavar a frente (Figura 17).

68


Segundo Celada Tamames[21] (1997), as curvas de resposta dos terrenos apresentam, geralmente, um troço inicial rectilíneo, que reflecte o comportamento elástico do maciço, e a partir de determinado ponto inflectem para um troço não linear correspondente à plastificação, como está representado na Figura 18.

Deslocament ⎯ Posição da frente

+

Figura 17 - Deslocamentos nas imediações da frente de escavação de um túnel (adaptado de Hoek[82], 1995).

σi = σ0

(tensão in situ)

uie – Deslocamento elástico σcr – Pressão crítica do sustimento definida pelo início da rotura plástica nas imediações do túnel

Pressão do sustimento

uip – Deslocamento plástico

Deslocamento Radial

Figura 18 - Modelação da curva de resposta do terreno de uma escavação (Hoek[82], 1995). A formulação de Hoek[82] (1995) estabelece, como princípios básicos, as hipóteses de uma escavação com secção circular (raio R), sob um estado de tensão hidrostático (σ0), utilizando o critério de rotura de Mohr-Coulomb, com comportamento dúctil. Deste modo, o troço inicial rectilíneo (comportamento elástico), segue a equação:

ue = com

R (1 + υ) (σ0 − σi ) E

E ≡ módulo de deformabilidade do maciço (módulo de Young);

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υ ≡ coeficiente de Poisson do maciço; σi ≡ pressão interna na escavação, exercida radialmente. O troço relativo ao comportamento plástico respeita a equação: 2 ⎤ ⎛ R* ⎞ R (1 + υ) ⎡ ⎟⎟ - (1 − 2υ)(σ 0 − σ i ) ⎥ ⎢2 (1 − υ)(σ 0 − σ cr ) ⎜⎜ Up = E ⎢⎣ ⎥⎦ ⎝ R ⎠

onde o ponto de transição entre os comportamentos elástico (recta) e plástico (curva) é definido pela pressão interna crítica (σcr) de acordo com a expressão: σ cr =

2 σ 0 − σ CM 1+ K0

e o raio de plastificação R* é definido pela expressão: 1

⎡ ⎤ K 0 −1 2 (σ 0 (K 0 − 1) + σ CM ) R* = R ⎢ ⎥ ⎣ (1 + K 0 ) [(K 0 − 1) σi + σ CM ] ⎦ com

σCM ≡ resistência à compressão simples do maciço rochoso K0 = (1+sen φ)/(1-sen φ).

Relativamente

aos

elementos

de

suporte,

estes

possuem

um

comportamento

fundamentalmente elástico, pelo que a representação gráfica das curvas características do suporte, se traduz por uma linha recta, como é apresentado na Figura 19. O ponto de equilíbrio estrutural entre o maciço e o suporte é determinado pela intersecção das suas respectivas curvas. A inclinação da curva característica do sustimento é dada pela respectiva rigidez (KS), ou seja: KS =

em que

σ i max US

σi max ≡ Tensão máxima do sustimento (correspondente ao troço horizontal da curva do sustimento na Figura 19); US ≡ Deslocamento máximo admitido pelo sustimento

70


As soluções para as curvas características podem ser calculadas, tanto analiticamente como por métodos numéricos, através de vários programas computacionais disponíveis no mercado, nomeadamente os que se baseiam no Método dos Elementos Finitos (MEF). A utilização destes métodos computacionais permitem uma grande versatilidade em termos de parâmetros a incorporar e número de simulações.

σi = σ0

(tensão in situ)

uie – Deslocamento elástico do

Pressão do sustimento

σcr – Pressão crítica do sustimento definida pelo início da rotura plástica nas imediações do túnel Curva característica do sustimento Equilíbrio

σE

uip – Deslocamento plástico

Deslocamento Radial

Figura 19 - Modelação das curvas de resposta do terreno e do suporte para uma escavação (Hoek[82], 1995). As curvas dos sustimentos mais utilizados em túneis encontram-se representadas na Figura 20.

Betão de cofragem

Betão projectado

Pressão do sustimento Pregagens

Cimbres metálicos

Deslocamento Radial

Figura 20 - Curvas características de alguns tipos de sustimento (Hoek, 1980, in Celada Tamames[21], 1997). 71


As curvas características formam assim um método de cálculo evoluído, mas que sofre de limitações importantes relacionadas com a dificuldade de estudar secções não circulares e com a impossibilidade de identificar os níveis de carga dos diferentes elementos de suporte, nas várias fases de escavação. Com este método, mesmo sob aplicações informáticas, é bastante difícil obter previsões fiáveis das cargas que actuam sobre os sustimentos e das convergências do túnel ao longo do tempo, uma vez que geralmente não se conhece o deslocamento já verificado no momento da instalação do suporte (Celada Tamames[21], 1997).

5.2.1.4. Métodos Computacionais

Os métodos estruturais e computacionais, aplicados a secções tipo dos túneis, fornecem actualmente os resultados mais fiáveis em termos de cálculo de sustimentos. A descrição destes métodos e da teoria em que se baseiam seria motivo para um trabalho específico pelo que não serão desenvolvidas as suas características. A possibilidade de incorporar diferentes leis constitutivas, aliada ao grande número de simulações que as técnicas automáticas permitem, conferem ao cálculo de sustimentos uma precisão fundamental para a fase de projecto de execução. As técnicas computacionais mais utilizadas são o Método dos Elementos Finitos (MEF), Método das Diferenças Finitas e o Método dos Elementos Fronteira, com destaque para os elementos finitos pela qualidade e desenvolvimento que as aplicações actuais possuem. De acordo com Celada Tamames[22] (1997), para terrenos com plastificação intensa, os programas baseados em diferenças finitas são mais efectivos. Como foi anteriormente referido, a qualidade dos resultados destes métodos, como de outros, depende da fiabilidade dos dados fornecidos. De facto, a precisão dos resultados das simulações computacionais induz frequentemente a que os técnicos as aceitem como correctas, esquecendo que dependem dos dados que lhes servem de base. Existe uma grande variedade de programas computacionais, tanto para cálculo pormenorizado dos elementos de suporte como para a simulação geral da obra e respectiva interface do maciço com o suporte. Entre estes contam-se os programas UNWEDGE (Carvalho et al, 1992, in Celada Tamames[22], 1997), FLAC (in Celada Tamames[22], 1997), SIGMA W e PLAXIS.

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A metodologia que actualmente preside ao cálculo dos sistemas de suporte, baseia-se na previsão das convergências em cada fase, para o sustimento proposto, e a medição real das convergências durante a construção, permitindo intervir sempre que os valores não sejam aceitáveis.

5.2.2. CONSIDERAÇÕES SOBRE OS TIPOS DE SUPORTE PRIMÁRIO

Os sistemas de suporte primário (ou provisório) com utilização corrente, compreendem pregagens e ancoragens, entivação metálica (cambotas), rede metálica (malhasol), chapas metálicas, betão projectado, tirantes, chumbadores, madeira, etc. Os sustimentos por pregagens e por ancoragens diferem entre si, fundamentalmente, pela dimensão envolvida do maciço a sustentar. Enquanto as pregagens têm a função de suportar blocos instáveis, tendo uma função pontual, as ancoragens destinam-se a fornecer ao maciço uma acção de confinamento que permite aproveitar as suas características próprias de sustentação (Celada Tamames[22], 1997). A utilização de pregagens em rocha, é tipicamente um método de sustimento pontual, aplicável a maciços autosustentados, em que existam instabilidades apenas em blocos esporádicos. As metodologias que incluam uma grande densidade de pregagens, para suportar blocos instáveis, dependem perigosamente da execução, não podendo ser projectadas unicamente em termos de carga a suportar e número de pregagens por unidade de área. De facto, a qualidade deste tipo de suporte está directamente dependente da observação e execução podendo, por necessidade, existir no mesmo maciço, zonas com poucas pregagens e zonas com elevada densidade destes elementos. Os constrangimentos relativos à aplicação isolada de pregagens, pelo que atrás foi referido, vêm reforçar a possível inadequação do zonamento geotécnico perante as peculiaridades reais do maciço rochoso, não sendo recomendável a usual adopção de metodologias pré-estabelecidas. Este facto é consubstanciado pela variabilidade do grau de fracturação natural e agravado pelas possíveis implicações do método de escavação que, frequentemente, induz uma fracturação significativa à rocha que circunda a abertura. Relativamente às ancoragens, estas constituem um suporte com aplicação igualmente de elementos pontuais, que actuam globalmente, possuindo todavia uma acção que envolve toda a periferia da escavação (Figura 21) aplicando-se, fundamentalmente, em maciços

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plastificados. A acção das ancoragens pode distinguir-se sob dois prismas diferentes: o suporte, por suspensão, de uma espessura de rocha plastificada com recurso à rocha exterior mais resistente, ou a consolidação da zona plastificada em que as ancoragens actuam apenas no interior desta zona (Celada Tamames[22], 1997).

Figura 21 - Ilustração de tipos de ancoragens na aplicação a túneis (adaptado de DSI in Ingeopress[84], 1996). A entivação por cambotas metálicas (costelas, cimbres, perfis), com secções H, U ou outras, constitui um método de suporte primário amplamente utilizado em solos e rochas muito fracturadas (Figura 22). Estes sustimentos em aço possuem vantagens significativas, nomeadamente as excelentes resistências mecânicas aos esforços de tracção e de compressão, resistindo a elevados momentos de flexão; elevado módulo de elasticidade e ductilidade; facilidade de fabrico e modelação; homogeneidade e fácil controlo de qualidade e actuação em condições favoráveis após o seu limite elástico. As desvantagens destes elementos prendem-se com os custos associados, agravados pelos tratamentos anti-corrosão como a galvanização (Rivas Vargas[149], 1997). A utilização de rede metálica, tipo malhasol, é correntemente utilizada no suporte primário de túneis, aplicando-se conjuntamente com as cambotas metálicas ou com as pregagens (Figura 22). Em ambos os casos, a utilização de rede metálica é um método de suporte aconselhável em maciços com fracturação significativa, uma vez que constitui um método semi-contínuo, menos dependente de erros de observação ou de insuficientes métodos de pré-dimensionamento. 74


Figura 22 - Cambotas metálicas e rede electrosoldada (malhasol) no suporte de um túnel. O sustimento com emprego de chapas metálicas (ou placas de betão) é um método eficiente em maciços com elevadas pressões, terrosos ou rochosos muito fracturados, existindo vários tipos como chapas lisas, chapas caneladas (onduladas), chapas de Bernold, etc. Estes métodos empregam-se, geralmente, em conjugação com cambotas, possuindo também as desvantagens destas, que se prendem com o custo e o necessário tratamento anti-corrosão. O betão projectado constitui, actualmente, um elemento praticamente obrigatório na construção de túneis, desempenhando um papel primordial na sustentação a curto prazo das frentes e perímetro destas obras. A aplicação de sucessivas camadas de betão projectado, associadas à rede metálica, é uma metodologia favorável no controlo das convergências em túneis, constituindo assim um acréscimo gradual no reforço do suporte primário, de acordo com as necessidades evidenciadas pela instrumentação (Castells Fernández e Rivas de la Riega[16], 1997). Os sustimentos mistos, compostos por pregagens e betão projectado ou cambotas e betão projectado (com malhasol), de mais larga utilização, admitem, para efeitos de cálculo, que a rigidez do conjunto é a soma da rigidez de cada um individualmente e que a capacidade 75


de suporte do sistema é a soma das capacidades individuais, supondo um comportamento plástico sujeito a uma carga máxima constante (Melâneo[105], 1994). Existem ainda outros métodos de suporte, nomeadamente de pré-suporte ou tratamento do terreno, que são aplicados antes do desmonte da rocha. Entre estes métodos contam-se as enfilagens (Figura 23) e micro-estacas, instaladas na direcção de avanço, com vista a estabilizar as frentes, e os tratamentos de melhoria do terreno com Jet Grouting, destinados a constituir colunas de suporte dos tectos e hasteais, através da injecção de calda de cimento que se mistura com o terreno existente. Estes métodos são utilizados em maciços muito brandos ou pouco coesivos, conferindo um reforço à sua capacidade resistente e limitando subsequentemente as convergências e assentamentos.

Figura 23 - Enfilagens (piquetes) para suporte em avanço de um túnel (adaptado de Word Tunnelling[166], 1996).

5.3. CONSIDERAÇÕES SOBRE O SUPORTE SECUNDÁRIO

O suporte secundário, ou definitivo, de um túnel é, em geral, uma estrutura de aço ou betão que envolve a cavidade do túnel. Este revestimento pode ser aplicado sobre o sistema de suporte primário ou directamente em contacto com o terreno, para túneis autoportantes ou com elementos de suporte primário descontínuos (pregagens, ancoragens). O revestimento de um túnel pode ser realizado por betonagem com cofragens deslizantes ou por colocação de aduelas de betão pré-fabricadas. Para cada caso, é necessária uma metodologia própria de execução que, em termos geotécnicos, pode reflectir condicionalismos

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específicos relacionados com o encosto e adaptação do revestimento às faces existentes. Assim, as aduelas são utilizadas maioritariamente em túneis escavados com TBM, portadoras de sistemas próprios de instalação de aduelas, resultando ainda faces uniformes na cavidade. Em túneis cuja necessidade de revestimento seja apenas estética, podem ser utilizadas chapas metálicas (Figura 24) ou de betão para uniformizar as faces.

Figura 24 - Revestimento de um túnel com chapas onduladas de alumínio (adaptado de Hacar Rodríguez[60],1997). A finalidade do revestimento secundário assenta nos seguintes objectivos (Estefanía Puebla[49], 1997): • Função resistente, para assegurar a estabilidade a longo prazo; • Impermeabilização, impedir fluxo de água para o interior do túnel; • Estética, conferir ao túnel um aspecto regular e uniforme de acabamento final; • Funcional, conferir as necessárias características de serviço, no que se refere à melhoria da eficiência da ventilação e iluminação (túneis rodoviários) ou da capacidade hidráulica (túneis de saneamento ou abastecimento). Atendendo ao que foi referido a propósito do suporte primário, que pode incluir elementos resistentes de alguma magnitude, e tendo em conta o objectivo final da obra, o revestimento final tanto pode ter uma função puramente estética, como essencialmente resistente. Em ambos os casos, devem ser levados em consideração, nos cálculos do revestimento, os sistemas de suporte primário, com vista a optimizar o suporte global e a minorar os custos. 77


De todas as formas, não deve ser esquecido o factor tempo, que pode induzir a deterioração do maciço e do suporte primário, através da acção da água e/ou de agentes físico-químicos (Estefanía Puebla[49], 1997). Analogamente, a perspectiva de novas construções nas imediações, tanto subterrâneas como superficiais, pode alterar o estado de tensão pré-determinado, tornando inadequado o sistema global de suporte. A execução do revestimento final pode decorrer durante os trabalhos de escavação ou no final destes, dependendo da finalidade da obra, da competência do suporte primário, dos ciclos de trabalho e das secções disponíveis. Este condicionalismo deve ser conhecido antecipadamente, com vista a adequar o sistema de suporte primário ao período de tempo e às solicitações de que vai ser alvo. O cálculo do revestimento definitivo pode ser efectuado pelos mesmos métodos referidos no

capítulo 5.2.1,

ou

seja,

método

da

convergência-confinamento

e

métodos

computacionais diversos.

5.4. ASPECTOS CONSTRUTIVOS – O NOVO MÉTODO AUSTRÍACO

O NATM - “New Austrian Tunneling Method” - patenteado em 1958 por A. Brunner e divulgado por L. Muller e L. V. Rabcewicz, tem como base a consideração que o terreno, no perímetro da escavação, se integra no arco resistente total, formando ele próprio parte da estrutura de suporte (Castells Fernández e Rivas de la Riega[16], 1997). Segundo Mahtab e Grasso[100] (1992), a base teórica deste método é representada pelas curvas de resposta dos terrenos (convergência-confinamento), referidas no capítulo 5.2.1.3. . O Novo Método Austríaco, ao adoptar esta filosofia de aproveitamento da resistência própria dos terrenos, beneficiada pela aplicação do suporte inicial, permite o dimensionamento de suportes mais ligeiros e baratos. Este método é aplicável ao cálculo de suportes, baseado na interacção terreno-suporte, aproveitando a capacidade resistente dos terrenos para conseguir a estabilidade da secção. Este propósito é alcançado com a utilização de sustimentos flexíveis que permitam a existência de um ponto de equilíbrio com baixa pressão de confinamento, à custa de uma maior deformação do contorno da cavidade. Assim, o elemento portante é o próprio terreno circundante à cavidade, sendo o sustimento o meio de realizar o confinamento necessário a mobilizar o máximo da sua capacidade resistente (Melâneo[105], 1994).

78


De acordo com Melâneo[105] (1994), este método observa os seguintes aspectos: • o colapso não se produz imediatamente, significando que o terreno possui alguma resistência própria, sendo esta aproveitada em conjunto com o sistema de sustimento inicial de forma a manter a estrutura em equilíbrio, podendo este suporte ser alvo de sucessivos reforços até se atingir o equilíbrio; • pausa da frente de escavação o tempo necessário para colocação do sustimento mínimo que permita continuar o avanço com segurança; • as operações de sustimento imediato da frente deverão ser rápidas de realizar, não exigindo grandes preparações e provocando um efeito imediato sobre o terreno; • as operações de reforço do sustimento decorrem simultaneamente com o avanço da frente; • com a necessária observação do comportamento real do terreno e o efeito das sucessivas etapas de reforço do sustimento, é possível ajustar o modelo de análise e o sustimento usado, com consequente economia.

Os princípios que regem este método deverão ainda englobar o estudo laboratorial e in situ dos terrenos; atender à compatibilidade do estado tridimensional de tensão e dos esforços com as propriedades geomecânicas do maciço; incluir medições e observação constante do maciço, tanto para redimensionamento dos sustimentos, como para documentação geomecânica posterior e, o revestimento definitivo deverá ser dimensionado de acordo com a pressão exercida pelo terreno e a resistência do suporte primário (Castells Fernández e Rivas de la Riega[16], 1997). Segundo Trabada Guijarro[161] (1997), a aplicação do NATM produziu maus resultados em alguns casos, originando graves acidentes, fundamentalmente devido à deficiente execução. Este método, indutor de significativa subsidência dos terrenos é, assim, desaconselhável em zonas urbanas com reduzidos recobrimentos. Segundo Anderson[4] (1997), até 1994 conhecem-se de 116 colapsos em túneis em construção utilizando o NATM. A maioria destes colapsos ocorreu junto da frente de desmonte, em locais não suportados, devido a condições geológicas não identificadas, fluxo de água e deficiente execução.

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É pois condição essencial ao bom desempenho deste método, o cumprimento rigoroso dos detalhes de execução, a permanente caracterização geológica em avanço, a respectiva observância do comportamento do maciço através de um adequado sistema de monitorização e um apurado controlo de qualidade dos elementos de suporte.

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6. OBSERVAÇÃO E QUALIDADE DA OBRA


6.1. PLANEAMENTO E ORGANIZAÇÃO

A observação e instrumentação de um túnel é um aspecto imprescindível na execução deste tipo de obras. Alguns dos conceitos de projecto que se aplicam actualmente (método observacional e NATM), incluem um conjunto de pressupostos que não dispensam o acompanhamento do comportamento do maciço e do suporte. As actividades associadas à observação de uma obra subterrânea são vastas e por vezes complexas, porquanto influenciam e interagem com as tarefas de construção, exigindo uma elevada capacidade de resposta, tanto na execução como no tratamento da informação. Os aspectos gerais a acompanhar durante a execução da obra incluem: • Adequabilidade das técnicas utilizadas: métodos de escavação e de suporte, sistemas de remoção de escombros, etc. • Qualidade de execução: obtenção dos pressupostos do projecto, tendo em vista a satisfação plena do Dono da Obra. • Segurança: definição de cenários de risco, manuseamento e armazenamento de explosivos, sinalização da obra, drenagem, ventilação, iluminação, sistemas de protecção pessoal e colectiva, etc.

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• Higiene e salubridade: drenagem, ventilação, instalações de apoio (refeitórios, sanitários, balneários), etc. • Impactes ambientais: impactes sobre o meio e sobre as pessoas, métodos de quantificação e minimização, etc.

As actividades de observação de uma obra subterrânea, dependem, assim, da sensibilidade relativa da obra em si e do meio em que esta se insere. Estas tarefas, geralmente executadas pela entidade fiscalizadora da obra e supervisionadas pelo Projectista e Assessoria Técnica, carecem de um apropriado planeamento e dimensionamento, de forma a capacitar as estruturas destas entidades com meios materiais e humanos apropriados. Os meios humanos envolvidos nas tarefas de controlo da obra, para além do adequado quantitativo, carecem de formação específica nos vários aspectos abarcados pela execução. De facto, a aptidão técnica e capacidade de resposta destes técnicos são aspectos capitais tanto na qualidade final, como para ajudar a superar os constantes imprevistos inerentes às obras geotécnicas. Segundo Cunha e Fernandes[27] (1980), uma campanha de observação bem estruturada requer a existência de circuitos de transmissão, em tempo útil, dos resultados obtidos e da sua análise, para quem sobre eles se deve apoiar para a tomada de decisões construtivas. O adequado planeamento das tarefas de fiscalização e acompanhamento é uma actividade complexa, exigindo a criação de equipas multidisciplinares, gestão de equipamentos e técnicos operativos e o estabelecimento de cenários de ocorrências e actuação, entre outros. É ainda de salientar a importância do controlo de qualidade dos materiais a utilizar, antes da instalação na obra.

6.2. INSTRUMENTAÇÃO DOS TRABALHOS 6.2.1. OBJECTIVOS DA INSTRUMENTAÇÃO

Como tem sido referido por diversas vezes, ao longo deste trabalho, a execução apropriada de uma obra subterrânea deve fundamentar-se nos estudos realizados tanto antes como no decorrer da construção, perante o conhecimento efectivo do maciço e das condições reais. Este aspecto depende essencialmente das técnicas de instrumentação e respectivos equipamentos, com vista à aquisição de informação relevante.

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As informações resultantes dos trabalhos de observação da obra devem servir, paralelamente, diferentes propósitos e entidades, de onde se destacam a escolha dos métodos de escavação apropriados (Empreiteiro), o redimensionamento dos suportes (Projectista), a aferição da qualidade da obra (Fiscalização) e a elaboração do as-built ou relatório de execução (Projectista/Consultor Geotécnico/Dono de Obra). Trata-se assim de utilizar os meios que permitam intervir tanto nos métodos de escavação, suportes e técnicas de execução, como realizar uma retroanálise para aferir a qualidade e o nível de segurança real da obra. Aquando da escolha dos métodos e equipamentos a aplicar na monitorização da obra, é boa regra a utilização de meios que forneçam, estritamente, os dados com utilidade para as análises pretendidas e, simultaneamente, a escolha das técnicas mais simples e robustas de entre as que satisfaçam essa exigência. A opção pelas metodologias a seguir deve ser realizada em fase de projecto, podendo ser modificada por variante proposta pelo Empreiteiro a quem for adjudicada a obra, e adaptada (pelo Projectista e Fiscalização) em fase de obra, no que se refere às técnicas, circunstâncias e parâmetros a obter. Segundo o US Army Corps of Engineers[163] (1978), os objectivos da instrumentação de um túnel prendem-se com: a detecção antecipada das condições que possam motivar a instabilidade do túnel em construção; a determinação do desempenho a longo prazo dos sustimentos após a construção; a obtenção de informação que permita uma análise detalhada do maciço e do comportamento do sistema de suporte. Deste modo, os objectivos do controlo da obra são (Quiralte López[143] , 1997): • Antes da construção: obter a informação necessária à elaboração do projecto, em termos de escavação e suporte. • Durante a construção: auscultar o comportamento das estruturas de forma a confirmar os cálculos anteriores ou adquirir dados para os alterar. • Após a construção: controlar a evolução das cargas e deformações para prevenção de possíveis anomalias. Segundo Cunha e Fernandes[27] (1980), o estabelecimento de um plano de observação apropriado deve atender aos seguintes aspectos: • Natureza, tipo e localização da obra: a natureza da obra influencia o tipo e robustez dos equipamentos, que poderão ter de operar à distância e por longos períodos; o tipo

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de obra e os métodos construtivos condicionam os equipamentos, que se deverão adaptar ao método de suporte, espaço disponível, etc.; a localização da obra, relativamente à profundidade e ao meio em que se insere (urbano, rural, etc.), pode induzir concentração de

sistemas de controlo superficiais e a instalação de

instrumentação ao nível do eixo do túnel a partir da superfície. • Características geotécnicas:a litologia, a hidrogeologia, o grau de alteração, os acidentes tectónicos, a fracturação, entre outros, condicionam a malha de observação, o tipo de instrumentação e a frequência de leituras. • Métodos construtivos e ritmo da construção: o plano de observação estabelecido em fase de projecto permite ao Empreiteiro a sua inclusão no planeamento geral dos trabalhos, minimizando os atrasos na construção. Deste modo, é possível obter mais segurança e adequabilidade dos sistemas de suporte, compensando os eventuais atrasos devidos à observação.

Um aspecto importante a ter em conta, refere-se à hierarquização da instrumentação dos trabalhos, aplicando métodos mais precisos, e consequentemente mais onerosos, em zonas mais sensíveis ou onde tenham sido detectadas anomalias que careçam de estudos detalhados. Para tal, é necessário definir cenários de aplicação destes meios, estabelecendo e quantificando os limites de intervenção. Segundo Lane (in Hoek e Brown[80], 1980), as deficiências mais comuns praticadas nas actividades de observação e monitorização de obras subterrâneas são: • Deficiências na planificação: relativamente ao tipo de informação necessária, variáveis de controlo, verificação das condições geológicas, controlo de métodos de escavação; • Indefinição das condições iniciais de referência:

instalação

dos

equipamentos

demasiado tarde, ou deficiências na periodicidade das leituras, desconhecendo-se os movimentos anteriores à instrumentação; • Inexperiência dos operadores dos equipamentos: imperfeição

na

instalação

dos

equipamentos ou na detecção do seu mau funcionamento, lacunas na identificação dos sinais de instabilidade; • Atrasos na avaliação e interpretação: incapacidade de tratar a informação em obra, com a subsequente necessidade de envio da informação para outras entidades que

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desconhecem a obra, implicando a perda de oportunidade de intervenção correctiva imediata; • Avarias de equipamentos nas actividades construtivas: erros ou cessação das leituras; • Indefinição das responsabilidades do Empreiteiro: relativamente à colaboração e ao pagamento destas actividades, resultando incompreensão e falta de apoio; • Equipamentos inadequados: relativamente

à

aplicabilidade,

robustez

e

complexidade; • Diminuição da observação por limitações orçamentais: a tentativa de redução de custos implica uma restrição do número de observações nos equipamentos existentes, não instalação de outros instrumentos e deficiências na análise e tratamento dos dados.

Como foi referido, a tendência actual reserva a elaboração do projecto de execução para a fase de obra, implicando frequentemente uma drástica reformulação dos pressupostos anteriores. Assim, nenhum dimensionamento de projecto, por mais sofisticado, é mais fiável que a qualidade dos dados geotécnicos que utiliza, implicando a necessidade de medir e quantificar o comportamento das estruturas, de forma a constituir uma apropriada modelização (Cunha[29], 1987).

6.2.2. MEDIÇÕES E EQUIPAMENTOS DE AUSCULTAÇÃO

A colocação de equipamentos de monitorização antes do início da escavação, que permanecem em actividade no decorrer da obra, constitui uma metodologia eficaz na caracterização da situação de referência e do seu evoluir ao longo do período de trabalhos. É o caso de medidores de deformações (extensómetros e inclinómetros em furos de sondagem e marcas topográficas) e de níveis piezométricos no interior de furos de sondagem (Oliveira[126], 1994). Segundo Trabada Guijarro[161] (1997), as medições e os equipamentos de instrumentação de uma obra subterrânea envolvem: • Movimentos verticais:à superfície e em estruturas existentes (edifícios, estradas, etc.) através da utilização de nivelamento topográfico e em profundidade mediante a instalação de extensómetros (de barras) em secções de controlo.

85


• Movimentos horizontais: em profundidade através da instalação de inclinómetros em secções de controlo; medição de convergências no túnel com equipamentos de precisão. • Pressões: através de células instaladas no interior do sustimento provisório. • Níveis piezométricos: nas camadas permeáveis ao longo do traçado do túnel, através de tubos piezométricos instalados em furos verticais desde a superfície.

Os principais equipamentos usualmente utilizados na observação e monitorização de túneis incluem extensómetros, inclinómetros, marcas topográficas de precisão, células de pressão, medidas de convergência e cartografia das frentes. Estes métodos são, geralmente, suficientes para estabelecer o ajustamento do modelo geomecânico a utilizar no dimensionamento dos suportes, bem como detectar as alterações induzidas pelo túnel às estruturas circundantes (Oliveira et al[127], 1994). A Figura 25 ilustra alguns dos tipos de equipamentos que podem ser aplicados na monitorização de uma obra subterrânea, à superfície e em profundidade. A estes métodos devem acrescentar-se as técnicas de reconhecimento da frente de escavação, descritos no capítulo 2.3, uma vez que constituem eficientes processos de reconhecimento da rocha a escavar e de detecção antecipada de anomalias, bem como as técnicas específicas de monitorização ambiental, com destaque para a medição de vibrações e ruídos (a desenvolver no capítulo 6.3). A determinação da zona perturbada pela escavação, se bem que envolva métodos complexos (microsísmica de refracção), é um aspecto que pode fornecer importantes dados para a modelação computacional em fase de obra para aplicação ao dimensionamento dos suportes, além de permitir a avaliação do dano ao maciço provocado pela escavação. Resta acrescentar que, a filosofia que preside ao NATM, apresentada no capítulo 5.4, pressupõe a auscultação sistemática da obra na fase construtiva, da qual depende todo o sistema de reforço do sustimento primário. Para o correcto uso do NATM, o próprio sustimento definitivo é dimensionado de acordo com as alterações de pressão resultantes do terreno e a debilidade do anel de sustimento, exigindo-se para tal a instalação de meios de instrumentação que permitam aferir os parâmetros do comportamento das estruturas (Castells Fernández e Rivas de la Riega[16], 1997).

86


7

SUPERFÍCIE

7 9

8

1 1

2 3 6 5 1 – Extensómetro de barras

4

2

2 – Células de tensões radiais 3 – Células de tensões tangenciais (betão) 4 – Ancoragens com células de pressão 5 – Células de carga em cimbres 6 – Bases de fixação de convergenciómetro 7 – Marcas superficiais

3 6

6

6

6

2

5

8 – Furos de sondagem com Extensómetros e/ou inclinómetros 9 – Furos de sondagem com piezómetros

Figura 25 - Secção principal de observação instrumentada (adaptado de Cunha[31], 1994) e equipamentos de superfície.

6.2.3. PRINCIPAIS ACTIVIDADES DE OBSERVAÇÃO GEOTÉCNICA 6.2.3.1. Cartografia Geotécnica

A caracterização das frentes de desmonte, em termos de litologia, diaclasamento, caudais emergentes, grau de alteração, acidentes tectónicos, etc., contribui decisivamente para a optimização das actividades de escavação e suporte, influenciando, igualmente, os sistemas de monitorização a implantar (Cunha e Fernandes[27], 1980).

87


O destaque desta actividade recai na identificação das mudanças significativas da geologia e fracturação da frente de escavação, influenciando a classificação da frente em termos de zonamento e para a detecção de acidentes tectónicos passíveis de motivar uma intervenção excepcional dos métodos de escavação, suporte e monitorização. Os técnicos envolvidos nestas tarefas, devem possuir experiência suficiente, devendo ainda adoptar critérios sistemáticos e normas padronizadas, de forma a que os dados recolhidos possam ser interpretados por outros técnicos e comparados com outras obras e/ou outras ocorrências na mesma obra. De forma a completar os dados recolhidos da observação visual, deverão ser realizados ensaios expeditos na frente de desmonte, nomeadamente esclerométricos e de compressão pontual, destinados a serem correlacionados com parâmetros de comportamento mecânico. Igualmente, as velocidades de avanço dos equipamentos de perfuração ou dos de ataque pontual, bem como o consumo específico de explosivo, podem permitir correlações com as características resistentes do maciço a escavar, constituindo elementos importantes de caracterização (Cunha[30], 1991). Pelo que foi dito, a cartografia da frente de desmonte de um túnel constitui a base do sistema de análise, complementada pelos métodos de auscultação de precisão, permitindo a percepção geral dos comportamentos das estruturas de suporte e a antevisão dos métodos apropriados de escavação.

6.2.3.2. Medição de Convergências

A medição de convergências é possivelmente o método de instrumentação com a maior relação benefício/custo, tratando-se de um processo simples, económico e rápido. Esta técnica tem lugar em secções preparadas para o efeito, permitindo a obtenção dos deslocamentos relativos de contracção ou expansão do perímetro do túnel (Figura 26), possibilitando assim a aferição do comportamento dos sistemas de suporte. As modernas tecnologias permitem ainda, além da avaliação dos deslocamentos relativos, a

medição

dos

deslocamentos

absolutos,

através

de

métodos

topográficos,

fundamentalmente electromagnéticos. Esta técnica é especialmente apropriada para a detecção

88


dos movimentos de soleira e de assentamento global do túnel, aplicando-se preferencialmente nas zonas de emboquilhamento ou em túneis pouco profundos em meios urbanos. Pontos de

Figura 26 - Secções possíveis de medição de convergências (adaptado de Cunha[31], 1994 e de Scholey e Ingle[154], 1989). Existe uma vasta gama de equipamentos com capacidade, manobrabilidade e precisão distintas. A escolha do método a utilizar prende-se com as características particulares da obra e do meio envolvente, de forma a ser adoptado o equipamento mais versátil, que induza os menores distúrbios às actividades construtivas e que possua a precisão necessária. A interpretação dos movimentos do maciço (e do suporte) assenta em gráficos que representam os deslocamentos em ordem ao tempo, permitindo apurar a tendência, ou não, do maciço para a estabilização, bem como analisar os valores absolutos de deslocamentos, com vista a averiguar da necessidade de intervenção para reforço do sustimento (Cunha[30], 1991). Como foi referido no capítulo 5.2.1.3. , existe grande dificuldade em medir as deformações totais do túnel (contracção), uma vez que estas se iniciam no interior do a uma certa distância da zona escavada (ver Figura 17). Em túneis pouco profundos, é interessante manter uma análise de correlação entre os valores e as datas de medição das convergências do túnel com os assentamentos superficiais (capítulo 6.3.3.), principalmente quando os trabalhos decorrem em zonas urbanas ou se encontrem sob estruturas sensíveis.

89


6.2.3.3. Amostragem e Monitorização dos Elementos de Suporte

A observação geotécnica de uma obra subterrânea, além dos aspectos atrás referidos, deverá permitir a validação do critério de dimensionamento do suporte primário, tanto para um eventual reforço deste, como para a obtenção de dados que facultem e optimizem o posterior cálculo do revestimento final. Os métodos mais utilizados para atingir estes pressupostos, incluem a monitorização dos elementos de sustimento (cimbres, ancoragens, etc.) e a amostragem dos elementos contínuos como o betão projectado. Relativamente aos equipamentos utilizados na auscultação dos suportes metálicos, estes envolvem instrumentos de medição de solicitações, geralmente células de carga, que são essencialmente constituídas por cilindros rígidos de aço, nos quais se medem as deformações através de extensómetros. A instrumentação dos cimbres compreendem a instalação destas células entre o maciço e o suporte ou almofadas de aço nos apoios, enquanto nas ancoragens as células se localizam na cabeça de ancoragem (Cunha[30], 1991). A qualidade do suporte primário e a sua eficiência a longo prazo, passa também por amostrar o revestimento de betão projectado, facultando informação relativa à sua espessura, condições de encosto ao maciço e resistência (através de ensaios de compressão pontual ou uniaxial). A medição de tensões nos revestimentos de betão podem ser realizadas por almofadas planas instaladas em rasgos no revestimento (utilizando-se a restituição de deformações); através de extensómetros devidamente orientados, colocados aquando da betonagem; ou com células de pressão no contacto rocha-betão (Cunha e Fernandes[27], 1980 e Castells Fernández e Rivas de la Riega[16], 1997).

6.3. CONTROLO DE IMPACTES 6.3.1. VIBRAÇÕES RESULTANTES DE DETONAÇÕES

As principais consequências nefastas para as estruturas, provocadas pelas vibrações produzidas nas detonações, foram referidas em capítulos anteriores. Os danos motivados por estes fenómenos podem originar custos acrescidos em reparações, indemnizações, ou mesmo prejudicar a funcionalidade de empreendimentos pré-existentes com as óbvias consequências que daí possam advir.

90


Os efeitos nocivos que as vibrações podem motivar em estruturas civis anexas, estão limitados pelo valor de pico da velocidade vibratória, prevista na NP-2074 de 1983, "Avaliação da influência em construções de vibrações provocadas por explosões ou solicitações similares". Esta norma estabelece valores para a velocidade de vibração de pico vL (m/s), de acordo com a expressão: vL = α ⋅ β ⋅ δ ⋅ 10-2 A utilização desta expressão dentro da gama possível das constantes α, β e δ permite a construção da Tabela 11.

Tabela 11 - Valores limites de velocidade de vibração de pico [mm/s] (adaptado de Moura Esteves[111], 1993).

Tipos de Construção

Solos incoerentes soltos, areias e misturas areia-seixo bem graduadas, areias uniformes, solos coerentes moles e muito moles

Solos coerentes muito duros, duros e de consistência média, solos incoerentes compactos; areias e misturas areia-seixo bem graduadas, areias uniformes

Construções que exigem cuidados especiais

2,5

5

10

Construções correntes

5

10

20

Construções reforçadas

15

30

60

Rocha e solos coerentes rijos

Nota : Estes valores serão corrigidos com um factor de redução 0,7, no caso de se efectuarem mais de três explosões (ou pegas) por dia.

A metodologia empírica que pode ser utilizada, na falta de um estudo específico, envolve a utilização destes desmontes experimentais para cada tipo de maciço a escavar, com uma rigorosa instrumentação para registo das vibrações. Deste modo, podem-se aferir as variáveis determinantes no processo, como sejam, a carga de explosivo por furo, a distância, o número de furos e o número de retardos e carga instantânea a detonar. Existem, actualmente, mecanismos que permitem prever com alguma precisão, os efeitos causados por uma detonação, relativamente à vibração resultante, e aos valores que a sua velocidade atinge nas imediações do local de origem. 91


Segundo o critério do USBM (United States Bureau of Mines), utilizado como primeira aproximação quando não existem registos de vibrações, a distância de segurança D (m) deve estar relacionada com a carga de explosivo por retardo Q (kg), da seguinte forma (Dinis da Gama[42] ,1997): D ≥ 22,5 × Q1/2 A expressão anterior deve ser apenas utilizada nas fases que antecedem as detonações iniciais, uma vez que a metodologia recomendada neste tipo de estudos impõe um critério de retroanálise de forma a serem determinados os valores das constantes empíricas para o maciço em causa, isto é, estabelecer as constantes a, b e c, em função da melhor correlação possível. Segundo a equação apresentada na página 49, a velocidade vibratória v (mm/s) pode ser calculada pela expressão: v = a Qb Dc Uma vez realizadas as primeiras pegas de fogo, utilizando a metodologia anterior, é possível, com base nas leituras dos sismógrafos, estabelecer correlações que levem à determinação das constantes a, b e c da expressão anterior, para o tipo de maciço em causa. Este procedimento deve ser repetido sempre que o maciço se modifica, de forma a calibrar as constantes referidas de acordo com o terreno envolvido. Apresentam-se de seguida os valores de a, b e c (Tabela 12), para diferentes tipos de rocha, obtidos a partir de vários estudos realizados em Portugal e no estrangeiro. Estes valores poderão servir de orientação na previsão da magnitude da velocidade de vibração de pico, antes do início das detonações, não dispensando contudo a instrumentação e determinação correcta destas constantes para o maciço envolvido.

Tabela 12 - Valores de a, b e c para diversos tipos de maciço. MACIÇO ROCHOSO

FONTE

a [mm/s]

b

c

Xisto-grauvaque (Beliche, Algarve)

Remísio[145] (1994)

1598

0,88

-2,06

Granito, Gneiss, Pegmatito

Holmberg[83] (1982)

700

0,7

-1,5

Hematite

Dinis da Gama[36] (1979)

380

0,73

-1,87

Calcário


580

0,6

-1,4

Basalto


2000

0,7

-1,9

92


6.3.2. RUÍDO RESULTANTE DE DETONAÇÕES

As sobrepressões induzidas pelas detonações são uma consequência a ter em conta no desmonte de rochas com explosivos. Numa pega de fogo dimensionada de forma conveniente, o efeito da sobrepressão é diminuto quando comparado com as vibrações através do maciço. Apesar deste facto, estas acções podem motivar danos estruturais ou mesmo pessoais de alguma monta, pelo que têm de ser levados em consideração no planeamento dos desmontes. A onda de pressão ou onda aérea, pode ser dividida em duas frequências distintas: alta frequência e baixa frequência. A onda de pressão de alta frequência (20-20.000 Hz) é audível, e constitui o ruído característico que acompanha a detonação. A onda de pressão de baixa frequência (<20 Hz), não é detectável pelo ouvido humano mas excita as estruturas, podendo o efeito da sua vibração tornar-se audível, principalmente para quem se encontra no interior da construção (Finnrock Ab[56], s.d.). Existem três tipos de acções a ter em conta na onda aérea, a parte audível, a parte não audível (que pode tornar-se audível pela vibração das estruturas) e os efeitos da sobrepressão que pode provocar rotura de vidros. O Ser Humano é muito sensível aos sons e movimentos que acompanham uma detonação, agravado pelo facto de inúmeras vezes estes efeitos serem repentinos e inesperados, motivando casos de alarmismo compreensíveis. Este facto pode ser minorado através de sinalizações sonoras de aviso de disparo, audíveis à distância, que antecedam a detonação, constituindo este método prática comum na maioria das explorações mineiras. Uma das formas mais simples de reduzir as ondas aéreas, é actuar na origem através de um adequado projecto de fogo, bem como uma boa execução técnica, traduzida essencialmente num bom confinamento e atacamento das cargas explosivas. Os efeitos directos da sobrepressão podem ainda ser agravados por factores como o vento e a temperatura atmosférica. Os limites de ruído em Portugal encontram-se legislados pelo Decreto-lei 251/87 de 24 de Junho, nomeadamente nos Artigos 14º e 20º (Rei dos Livros[144], ed., 1993), que determinam o cumprimento do requisito: D = Leq - L95 ≤ 10 db(A) 93


em que Leq é o nível sonoro contínuo equivalente (corrigido) e L95 é o valor acima do nível sonoro do ruído de fundo no período de referência (em 95% da duração), sendo estes avaliados de acordo com a norma NP-1730. A contra-ordenação que pune as infracções a estes artigos encontra-se prevista no Artigo 36º, prevendo coimas de 50 a 500 contos para pessoas individuais e 100 a 1000 contos no caso dos transgressores serem pessoas colectivas. Em termos da eventual afectação pelo ruído de pessoas, o Decreto-Regulamentar 9/92 de 28 de Abril, no seu Artigo 1º, estabelece várias condições limite de exposição (Rei dos Livros[144], ed., 1993), de onde se destacam: • Exposição pessoal diária: 90 db (A) ; • Exposição instantânea : 140 db (A) ; atendendo à definição de decibel: db = 20 log (p/p0) , em que: p é a pressão da onda e p0 é a pressão de referência (p0 = 2 × 10-10 bar). Relativamente às obras subterrâneas, em concreto no que se refere a túneis, o trajecto da onda aérea referida inclui dois percursos distintos: • o comprimento do túnel, tratando-se de uma propagação linear; • o percurso desde a entrada do túnel ao ponto de referência (existência de pessoas), onde a propagação é esférica. Para efeitos de cálculo para previsão dos efeitos do ruído, é necessário conhecer a quantidade de explosivos a detonar por retardo, o local de detonação dentro do túnel, bem como a distância desde o emboquilhamento do túnel à habitação ou local público mais próximo. Com base nestes dados e utilizando expressões empíricas conhecidas, é possível estimar a magnitude do ruído e assim redimensionar os diagramas de fogo. A lei de Hopkinson (1915), estabelece uma relação K entre a pressão da onda aérea (p), a distância (R) e a raiz cúbica da carga (W): p = K (W1/3/R)

94


em que:

p ≡ pressão da onda [bar] ; K ≡ constante ; W ≡ carga [Kg] ; R ≡ distância [m].

Deste modo, através dos instrumentos apropriados de previsão da magnitude dos ruídos, não só é possível prever os seus efeitos e enquadramento legal, como se pode, sucessivamente, calibrar as expressões de cálculo, de forma a estabelecer os limites de cargas explosivas a utilizar para cada condição.

6.3.3. ASSENTAMENTOS SUPERFICIAIS

Os assentamentos superficiais, ou subsidência, são consequência de uma alteração do estado natural do terreno, motivada pela escavação, podendo atingir proporções significativas, principalmente em túneis pouco profundos. A magnitude destes deslocamentos depende igualmente do método de escavação, eficiência de colocação do suporte primário, existência de tratamento dos terrenos, entre outros. Além dos possíveis danos superficiais causados pela subsidência, a descompressão do maciço e a fracturação induzida provocam, geralmente, um maior fluxo de água para o interior do túnel, diminuindo igualmente a competência do maciço. A Figura 27 ilustra uma modelação do tipo de movimento do terreno em função da profundidade da escavação, para maciços terrosos e rochosos muito fracturados.

Superfície

Figura 27 - Evolução da zona de movimento do terreno com a profundidade da escavação (adaptado de D.E.M.G.[85], 1997).

95


Existem numerosos trabalhos de diversos autores, relativos ao estudo da subsidência, englobando métodos de previsão, monitorização e minimização dos seus efeitos. Entre os métodos que mais se aplicam a túneis contam-se o método de Lo, Ng e Rowe; o método de Résendiz e Romo; o método de Atewell e o método de Cording e Hansmire (Pereira[134], 1996), bem como os modernos métodos computacionais. O procedimento usual de controlo de assentamentos reside em técnicas computacionais de previsão de deslocamentos, de acordo com a modelação global do maciço, estimando-se valores máximos admissíveis. Com base nestes valores, e perante uma monitorização sistemática de precisão com marcas superficiais, analisam-se os comportamentos da subsidência, preconizando-se cenários de intervenção em função da magnitude dos assentamentos. O comportamento da subsidência depende de numerosos factores intrínsecos ao maciço e à localização da obra, como sejam, a profundidade da escavação, o diâmetro do túnel, o estado de tensão pré-existente, a fracturação natural e induzida e as condições hidrogeológicas. Além destes aspectos, os métodos empregues na concepção e construção do túnel têm, igualmente, uma influência decisiva na magnitude destes deslocamentos superficiais. De facto, conceitos de projecto como o NATM ou as suas variantes, pressupõem deslocamentos significativos que, em obras pouco profundas, implicam regra geral, fortes assentamentos superficiais. Do mesmo modo, factores como o método ou equipamento de escavação e a prontidão de instalação e tipo de suporte, através da sua influência na deformação do túnel, são igualmente aspectos que influenciam os assentamentos superficiais.

6.3.4. OUTROS IMPACTES

Os impactes ambientais e sociais motivados pela construção de um túnel, englobam diversos aspectos que se prendem com as suas características, magnitude e duração. Além dos assuntos abordados anteriormente, e que constituem geralmente os impactes de maiores dimensões durante a construção, existem outros factores de transtorno ao meio ambiente motivados pela implantação da obra. Relativamente à fase de execução, e a menos de algum incidente irreparável, os impactes possuem carácter temporário, ocorrendo apenas durante as actividades construtivas, e sendo passíveis de intervenção imediata ou de posterior recuperação. Entre estes contam-se

96


os transtornos às populações motivados pela modificação dos acessos rodoviários e pedonais, o acréscimo da circulação devido aos equipamentos de obra e os possíveis estragos resultantes (veículos pesados), as poeiras e fumos resultantes da execução da obra, os locais de deposição de escombros, etc. Em termos de impactes permanentes relacionados com a fase de serviço destas obras, são de realçar o acréscimo de ruído e fumos, para túneis rodoviários, e as restrições ao uso do solo nas imediações do túnel. Em alguns casos, acrescem a estes, os prejuízos motivados pelo rebaixamento e contaminação de níveis freáticos ou de poços e sistemas de captação de águas. Os impactes ambientais e sociais devem ser analisados num contexto de custo e benefício, com um balanço entre os aspectos negativos e positivos da implantação da obra. Desta forma, aspectos como o aumento de emprego e as vantagens sociais do serviço da obra, devem ser ponderados e quantificados na análise global de impactes.

6.4. SEGURANÇA E SALUBRIDADE

As condições de segurança de uma obra de construção civil são responsabilidade das várias entidades envolvidas na concepção, execução e supervisão. Os responsáveis deverão dispensar especial atenção às diversas vertentes de risco, cumprindo e fazendo cumprir os regulamentos e decretos governamentais referentes à segurança, higiene e saúde na construção. No que diz respeito às normas nacionais relacionadas com a segurança, são de destacar as NP 1027 (1977), NP 2291 (1986), NP 2310 (1989), NP 2419 (1986), NP 3775 (1988), relativas aos equipamentos de protecção individual e NP 1733 (1981), sobre a exposição ao ruído durante a actividade profissional, bem como outras normas EN e ISO, relacionadas com os aspectos da segurança (Dias et al[33], 1996). A dimensão relativa dos acidentes em estaleiros de construção assume uma importância significativa, comprovada pelas estatísticas do Instituto para o Desenvolvimento e Inspecção das Condições de Trabalho (IDICT), segundo as quais, em Portugal, ocorrem por ano nestes locais, cerca de 56 mil acidentes, correspondentes a 20% do total dos acidentes na indústria, e cerca de 160 vítimas mortais, ou seja, 40% dos acidentes mortais na indústria. Uma vez que o sector da construção contribui com apenas 9% para o total de mão de obra da indústria, estes factos assumem uma dimensão que deve preocupar os intervenientes (Barata[6], 1997).

97


Tratando-se de aspectos que envolvem riscos físicos, a prevenção é o factor que merece maior destaque, motivando para tal que se exerçam actividades prévias à execução da obra. As acções de intervenção, em termos de prevenção, podem ser efectuadas pela eliminação ou limitação do risco, correspondendo a medidas de engenharia tomadas na concepção e dimensionamento no projecto; envolvimento do risco, através de medidas protectoras em obra; afastamento dos indivíduos, com aspectos técnicos e organizacionais que motivem o afastamento de terceiros e impeçam a negligência ou inadvertência dos funcionários; e de protecção pessoal, através da utilização, pelos operários, de equipamentos de protecção individual adequados às tarefas em desenvolvimento (Barata[6], 1997). Em geral, as intervenções de protecção através de medidas de engenharia, relacionadas com a concepção, projecto e organização, são as mais eficazes e de menor custo, constituindo uma preocupação que deve nortear todas estas actividades. A acrescer a estas medidas, devem ser preconizadas acções periódicas de formação e informação dos funcionários, devendo-se evitar a contratação de pessoal temporário sem formação específica para a obra. A Tabela 13 identifica algumas das principais responsabilidades relativas à segurança e saúde dos intervenientes nas obras de construção. O Plano de Segurança e Saúde (PSS) é um documento dinâmico, iniciado na concepção do empreendimento e alvo de permanentes actualizações nas etapas posteriores de projecto, adjudicação e execução, sendo concluído apenas com a recepção da obra (Dias et al[33], 1996). Tabela 13 - Responsabilidades na segurança em obra (baseado em Barata[6], 1997). ENTIDADE

COMPETÊNCIAS

Dono de Obra

Nomeação de coordenadores de segurança em fase de projecto e de obra; elaboração de instrumentos de prevenção: comunicação prévia, Plano de segurança e saúde (PSS), compilação técnica.

Projectista

Garantir, no projecto, a prevenção de riscos profissionais, em termos de concepção da obra e de dimensionamento.

Empreiteiro e Fiscalização

Garantir a prevenção na execução da obra, no que respeita à aplicação e aprofundamento do PSS, e à aplicação dos procedimentos de segurança mais eficazes.

98


A segurança das obras subterrâneas, além das directas implicações para a integridade física das pessoas, tanto de funcionários como de terceiros, constitui um processo que visa impedir possíveis contrariedades com implicações directas nos custos e nos prazos da obra.

6.5. ASSESSORIA GEOTÉCNICA

O acompanhamento técnico de uma obra subterrânea é um factor decisivo para a sua qualidade, segurança, custo e prazo de execução. Este facto resulta do desconhecimento preciso das condições geológicas existentes, motivando constantes adaptações e alterações ao projecto (ou anteprojecto). De forma a dar resposta às solicitações impostas por este condicionalismo, a Assistência Técnica de uma obra subterrânea deve incorporar diversas entidades e especialidades, com vista a traçar as soluções técnicas apropriadas de execução. Em termos de entidades envolvidas nesta actividade, é desejável a presença dos Consultores do Dono de Obra, Projectista e Fiscalização. A vertente geotécnica da Assessoria Técnica, ou Assessoria Geotécnica, deve intervir, fundamentalmente, no estabelecimento dos critérios a seguir para o desenvolvimento da obra, impondo as metodologias que garantam a sua correcta execução, com as necessárias condições de segurança e o menor custo. Durante a execução de um túnel, o desempenho da Assessoria Geotécnica reflecte-se principalmente nos seguintes aspectos (Moreno Tallón[110], 1996): • Análise prévia do Projecto e das soluções propostas; • Estudo das possíveis alternativas e melhorias às soluções de Projecto; • Estabelecimento dos planos gerais de acompanhamento e auscultação, e ajustamento destes no decorrer da execução; • Análise e interpretação dos dados obtidos durante a construção, avaliando o comportamento geotécnico da escavação e decidindo sobre a aplicação de alternativas para a adaptação do Projecto às condições reais de execução;

99


• Definição dos processos construtivos mais adequados para escavação, suporte e tratamento dos terrenos, garantindo a estabilidade a curto e a longo prazo; • Análise e interpretação dos dados relativos ao controlo de qualidade dos elementos de sustimento e métodos de execução; • Assessoria para a resolução dos problemas que surjam no decorrer da obra; • Assessoria às partes envolvidas nos trabalhos, relativamente às alterações ao Projecto inicial e discussões técnicas e contratuais resultantes; • Realização de análises e estudos de optimização de custos e prazos, garantindo a segurança e estabilidade, propondo medidas a implantar no decurso da obra. Esta actividade é preponderante no bom desenrolar das actividades de construção, se atendermos ao facto de, nestas obras, só dificilmente as hipóteses de projecto coincidem com a realidade existente, exigindo um constante esforço de adaptação e optimização de técnicas e processos. A Assessoria Técnica inclui também nas suas actividades a tarefa de controlo de custos e prazos no decorrer da obra, realizando análises do investimento realizado e estimativas relativas ao valor global, permitindo conhecer com antecedência as necessidades financeiras futuras.

6.6. CONTROLO DE QUALIDADE DA OBRA 6.6.1. ASPECTOS TÉCNICOS DO CONTROLO DE QUALIDADE

A qualidade de uma obra subterrânea, geralmente da responsabilidade da Fiscalização, é um dos aspectos mais determinantes no balanço financeiro final dessa obra porquanto, se por um lado pode motivar alguns custos de controlo e acompanhamento, por outro induz uma significativa economia em trabalhos de manutenção ou reforço de estruturas. As actividades de controlo de qualidade de um túnel incidem, sobretudo, nos materiais envolvidos nos sistemas de suporte. Assim, a verificação deve iniciar-se nos materiais em estaleiro e acompanhar o seu transporte, colocação e comportamento ao longo do tempo (Castells Fernández e Noriega Fidalgo[17], 1997).

100


Os ensaios utilizados para o controlo do betão passam pela análise dos inertes utilizados, no que respeita à composição química, granulometria, forma e resistência. Relativamente ao cimento, deverá ser ensaiada a resistência à compressão e o tempo de presa, bem como as características da água de mistura, no que se refere à sua acidez e composição química. Os aditivos a empregar na mistura deverão igualmente ser analisados, de forma a aferir-se a sua compatibilidade com os restantes materiais e a adequação aos fins em vista. Sobre estes materiais deverão igualmente ser realizados ensaios durante e após a execução, através da recolha de amostras no momento de execução e da extracção de provetes em zonas já construídas, para posteriores ensaios de compressão. Existem ainda um conjunto de ensaios que podem ser realizados em zonas onde o betão não se encontre totalmente amadurecido, que incluem a determinação da resistência à penetração e da resistência ao arrancamento. Nos casos de existir um sistema misto de betão e malha metálica, é usual realizarem-se ensaios de tracção e de flexão (Castells Fernández e Noriega Fidalgo[17], 1997). Relativamente

às

cambotas

ou

perfis

metálicos,

os

ensaios

são

realizados

fundamentalmente antes da instalação, devendo-se dedicar especial cuidado às soldaduras existentes. Os elementos de suporte do tipo ancoragem ou pregagem seguem igualmente a mesma metodologia de controlo, sendo ensaiados antes da instalação, onde se determinam características como resistência à tracção e a resistência à compressão, entre outros. Nos elementos já instalados podem ser executados ensaios de tracção, com equipamento hidráulico, tendo como inconveniente a destruição do elemento de suporte, que deverá ser reposto (Castells Fernández e Noriega Fidalgo[17], 1997).

6.6.2. CONDICIONALISMOS NA QUALIDADE DA OBRA

As actividades que influenciam a qualidade de uma obra estão, em muito, dependentes da atitude das entidades intervenientes em cada nível. Assim, a filosofia de trabalho adoptada pelo Dono de Obra, Consultores, Projectista, Empreiteiro e Fiscalização é, cada vez mais, um parâmetro de extrema importância no sucesso da construção de uma obra geotécnica. De facto, na maioria dos casos, são maiores as vicissitudes resultantes da má abordagem dos problemas ou da falta de sincronia dos diferentes intervenientes, que das questões técnicas propriamente ditas.

101


As actividades relacionadas com a qualidade de uma obra subterrânea iniciam-se antes da fase construtiva e são mesmo, muitas vezes, anteriores à elaboração do projecto. Na fase de concepção, iniciada, geralmente, pela da estimativa dos custos, verifica-se a tendência do Dono de Obra em perspectivar para o custo final da obra a menor das estimativas calculadas resultando, em fase de execução, uma acrescida contenção de custos que podem prejudicar a qualidade dos trabalhos (Peck[130], 1986). É também ao Dono de Obra que compete a selecção das empresas ou equipas de consultoria, de projecto, de execução e de fiscalização, devendo esta escolha ser baseada na capacidade técnica das equipas, na experiência acumulada e nos meios colocados em obra, e não apenas em prazos e custos. Do mesmo modo, com o aproximar do prazo de conclusão estimado, existe alguma propensão para o Dono de Obra tentar aumentar a velocidade de execução o que, geralmente, constitui uma pressão sobre a Fiscalização, no que respeita à imposição da repetição de trabalhos ou interceder para a sua boa execução. Este factor é igualmente aproveitado pelo Empreiteiro para menosprezar as actividades da Fiscalização e para executar as tarefas de forma deficiente. Um outro aspecto refere-se aos trabalhos de prospecção propostos pelo Projectista, tanto antes, como no decorrer da obra, sendo frequentemente encarados pelo Dono de Obra como um atraso desnecessário e dispendioso para a obra, podendo até ser confundidos com indecisão e incompetência do Projectista. Relativamente aos Consultores, aqueles que se encontram ao serviço do Dono de Obra e os que trabalham para o Projectista, é frequente que, devido à concentração por especialidades, percam a noção global da obra, penalizando a sua contribuição. A acrescer a este facto, e devido ao custo e ocupação destes elementos, a sua participação ocorre apenas ocasionalmente e em reuniões importantes, limitando-se a tratar os assuntos superficialmente. Segundo Peck[130] (1986), são várias as consequências resultantes de posturas erradas ou da falta de aptidão do Projectista para a tarefa que se propõe realizar. Assim, a apresentação de propostas de reduzido preço, pode levar a que seja dedicado ao projecto menos tempo e atenção que a devida. Para além disso, os cortes orçamentais recaem, geralmente, sobre os trabalhos de prospecção e caracterização geotécnica. Esta economia de esforço e de tempo motiva, igualmente, a elaboração de projectos demasiado generalistas, remetendo importantes decisões construtivas para a Fiscalização e para o Empreiteiro.

102


Um outro tipo de abordagem repreensível, diz respeito ao optimismo assumido pelo Projectista relativamente ao maciço rochoso, às condições climatéricas, entre outros. No caso de não se verificarem esses pressupostos, o que é comum quando se lida com factores geológicos e climatéricos, resultam atrasos nos trabalhos, levando a uma maior pressão para o cumprimento do prazo da obra com as consequentes deficiências de execução e fiscalização. Em Engenharia de Túneis, é frequente adoptar-se, indiscriminadamente, o método observacional (as you go), que se baseia na instrumentação da obra. O pressuposto de que esta metodologia funciona por si só, sem a necessária avaliação de hipóteses de ocorrência e a consequente simulação prévia das medidas a tomar, poderá ser um erro que incapacita a prontidão de resposta técnica em obra. Outro aspecto a considerar prende-se com o tipo de instrumentação, a facilidade de instalação, a frequência e fiabilidade das leituras, e a capacidade de processamento dos dados em tempo útil, que pode, qualquer um deles, inviabilizar este método. A abordagem do Empreiteiro à obra pode ser um elemento determinante no bom ou mau desenrolar dos trabalhos. Assim, se o Empreiteiro inicia uma obra esperando obter lucros com base nas omissões do projecto e nas imperfeições das clausulas técnicas, estão criadas as condições de antagonismo que irão prejudicar a execução da obra. De outro modo, a falta de capacidade financeira do Empreiteiro pode motivar a falta de meios em obra, o seu atraso e a subsequente aceleração dos trabalhos sem rigor de execução. A equipa de técnicos e a quantidade dos meios colocados em obra pelo Empreiteiro são também factores que podem prejudicar a execução atempada e rigorosa de uma obra (Peck[130], 1986). A ineficiência da Fiscalização é um dos factores mais importantes na qualidade de execução de uma obra. Esta lacuna pode resultar da falta de capacidade técnica, da falta de confiança mutua entre fiscais e projectistas ou Dono de Obra, ou por aspectos já referidos que se prendem com as pressões para a conclusão da obra no prazo estipulado.

6.7. RELATÓRIO DE EXECUÇÃO DE TÚNEIS

O Relatório de Execução de Túneis (RET), usualmente denominado de as-built, é um documento de elevada importância numa obra geotécnica, especialmente numa infraestrutura subterrânea. De facto, as considerações por diversas vezes referidas, relativamente aos imponderáveis deste tipo de obras e à frequente inadequação do Projecto face às condições reais existentes, conferem a este relatório um cariz histórico e documental essencial.

103


O RET, na sua vertente geotécnica, é um documento que se baseia na informação recolhida pelas actividades de acompanhamento, observação e auscultação, contendo a descrição do processo construtivo, o mapeamento geotécnico das frentes (perfil geotécnico real), as alternativas e soluções adoptadas perante as ocorrências verificadas, a evolução de prazos e custos, etc. A importância que este relatório adquire, traduz-se sob vários aspectos (USNCTT[164], 1984): • avaliação da qualidade final de construção, através da obtenção dos factores de segurança aproximados e condições de execução, permitindo aferir da qualidade da obra em relação ao pretendido; • informação para possíveis intervenções de reparação e/ou manutenção, pela identificação das zonas mais problemáticas ou de maior fragilidade e das soluções aplicadas, auxiliando nas intervenções durante o período de serviço da obra; • obtenção de informação para outra infraestrutura nas imediações, facultando informação detalhada em relação às condições geológicas existentes e identificando as possíveis interferências da obra e as restrições a observar para outras construções; • obtenção de dados e alternativas para outros projectos subterrâneos, através da publicação da totalidade ou parte deste documento que pode servir de orientação e transferência de experiências para outras obras da mesma índole. Neste âmbito, a divulgação em revistas da especialidade e a apresentação em reuniões técnicas de trabalhos descritivos das ocorrências em obra, é um mecanismo muito importante para a evolução do conhecimento e das soluções de engenharia sobre variados aspectos. Este procedimento é, há muito, utilizado nos EUA, com excepcionais contribuições para a comunidade científica e técnica deste sector. Para o Dono de Obra, o Relatório de Execução pode ser igualmente um instrumento de protecção, em termos legais, porquanto constitui um elemento de diagnóstico das condições reais encontradas e das soluções e qualidade final, podendo evitar litígios com os construtores ou com os proprietários de infraestruturas nesse local.

104

7. ESTUDO DOS TÚNEIS DO INTERCEPTOR JAMOR-LAJE (2º FASE)


7.1. INTRODUÇÃO

O Sistema de Saneamento da Costa do Estoril é uma infraestrutura que se destina a servir uma população de cerca de 600 000 habitantes, dos concelhos de Amadora, Cascais, Oeiras e Sintra, correspondendo a uma área aproximada de 22 000 ha. O horizonte de projecto prevê uma evolução para cerca de 1 500 000 habitantes no ano 2025, trazendo claros benefícios ambientais para toda esta região balnear (Figura 28). Em termos gerais, este sistema é constituído por um Interceptor Geral, uma Estação de Tratamento e um Emissário Submarino. O Interceptor Geral do Sistema de Saneamento da Costa do Estoril (IGSSCE) é uma infraestrutura linear com cerca de 25 km, ligando a zona do Jamor a Cascais. Este empreendimento é composto por um conjunto de túneis, valas e pontes-canal, com diâmetros de escoamento variáveis de 1,5 m (a montante) a 2,5 m (troço final). Para o IGSSCE convergem os vários emissários afluentes, sendo 85% das águas residuais escoadas por gravidade e 15% elevadas por nove estações de bombagem. As obras de construção da 1ª fase deste sistema, incluíram o troço do IGSSCE desde Oeiras a Cascais, com 14 566 m, o emissário submarino, com 2 750 m, e a Estação de Tratamento de Águas Residuais da Guia (MARN[107], 1994).

105


Figura 28 - Esboço da localização do sistema de saneamento da Costa do Estoril (adaptado de MARN[107], 1994). As características gerais dos trabalhos do Emissário Submarino da Guia estão representadas na Tabela 14. Tabela 14 - Características do Emissário Submarino da Guia (baseado em MARN[107], 1994).

TRABALHOS

QUANTIDADES

Extensão

2 750 m

Profundidade máxima

45 m

Troço em vala aberta e betonada no fundo do mar

950 m

Troços em HDPE, PN4, assentes no fundo do mar

2×1800 m

Volume de materiais dragados

32 900 m3

Volume total de betão submerso

30 500 m3

106


A dimensão geral dos trabalhos desenvolvidos na 1ª Fase deste projecto encontram-se sintetizadas na Tabela 15.

Tabela 15 - Trabalhos desenvolvidos e materiais empregues na 1ª Fase do Empreendimento de Saneamento da Costa do Estoril (baseado em MARN[107], 1994).

TRABALHOS

QUANTIDADES

Extensão

14 566 m

Volume de escavação em vala

132 000 m3

Volume de escavação em túnel

160 870 m3

Aço em perfis e chapas

978 000 kg

Cambotas

4 094 unid.

Ancoragens Swellex

94 708 unid.

Malhasol

15 170 m2

Aço em armaduras

688 000 kg

Betões

60 600 m3

Área com tratamento anti-corrosivo

70 875 m2

Os principais trabalhos de construção da Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) da Guia, encontram-se discriminados na Tabela 16. A 2ª fase do IGSSCE, relativa ao túnel que liga a Cruz Quebrada (Ribeira do Jamor) a Oeiras (Ribeira da Laje), iniciou-se em 26 de Março de 1996, prevendo-se a sua conclusão em Outubro de 1998. As actividades de escavação subterrânea foram concluídas em 3 de Dezembro de 1997, encontrando-se actualmente em elaboração a construção das valas (final previsto em Março de 1998), os trabalhos de revestimento final do interceptor, os quais se prevêem terminar em Abril de 1998, os colectores afluentes, com final previsto para Julho de 1998 e as caixas de visita (final previsto em Julho de 1998).

107


Tabela 16 - Trabalhos e materiais empregues na ETAR da Guia (baseado em MARN[107], 1994). TRABALHOS

QUANTIDADES

Volume escavado em galerias

18 600 m3

Volume de betão projectado

1 203 m3

Malhasol

7 791 m2

Betão em estruturas resistentes

7 235 m3

Aço em armaduras

132 874 kg

Os trabalhos subterrâneos, desta 2ª fase do IGSSCE, envolveram a escavação de cinco túneis, denominados túnel 0, túnel 1, túnel 2, túnel 3 e túnel 4. Cada um destes troços foi escavado em duas frentes, frente montante e frente jusante, de forma a minorar o prazo de execução e os custos associados. O desenvolvimento desta 2ª fase encontra-se representado na Figura 29.

Figura 29 - Implantação dos túneis da 2ª fase do Interceptor do sistema de saneamento da Costa do Estoril (adaptado de CÊGÊ/FBO[20], 1997).

108


Os túneis referidos possuíam, em média, uma secção de 8,5 m2, com configuração de arco de ferradura. Os cinco túneis referidos totalizam cerca de 9450 m, distribuídos da seguinte forma, Túnel 0 com 2119 m, Túnel 1 com 1588 m, Túnel 2 com 950 m, Túnel 3 com 2630 m e Túnel 4 com 2154 m. O presente capítulo fará a descrição da prospecção, projecto e execução dos túneis, relativa à 2ª Fase do Interceptor Geral, bem como o acompanhamento e processos da obra, no que diz respeito às actividades subterrâneas, em particular, na sua vertente geotécnica.

7.2. DESCRIÇÃO DOS TRABALHOS DE PROSPECÇÃO

Os trabalhos de prospecção e reconhecimento geotécnico para o projecto da 2ª fase do IGSSCE, decorreram em 1990, tendo sido concluídos em Janeiro de 1991. O programa de prospecção e caracterização foi definido pelo Projectista, após um reconhecimento de superfície, tendo os trabalhos sido acompanhados por técnicos desta entidade. Esta caracterização geotécnica incluiu o reconhecimento geológico de superfície; prospecção geofísica (perfis sísmicos), em zonas previstas para escavação a céu aberto (emboquilhamentos e zonas de pequeno recobrimento); prospecção mecânica, através de sondagens à rotação ao longo do eixo previsto do túnel, e à percussão na zona de travessia da Ribeira da Laje; ensaios in situ, do tipo Lugeon, dilatómetro e SPT; e ensaios em laboratório, compreendendo ensaios de compressão uniaxial, velocidade de propagação dos ultrassons e compressão pontual (DRENA[47] ,1995). A sequência desta etapa de estudo foi iniciada pela observação estereoscópica da fotografia aérea da região (Esc. 1/5000), seguindo-se o reconhecimento de superfície que culminou na elaboração da cartografia geológica à escala 1/2000 (Teixeira Duarte[160], 1991). O reconhecimento geológico de superfície desenvolveu-se ao longo do traçado envolvendo uma faixa de 200 m. A região estudada é abrangida pela Carta Geológica de Portugal (Esc. 1/50000), folha 34-C – Cascais, tendo ainda sido alvo de uma cartografia à escala 1/10000, desenvolvida pela Drª Isabel Moitinho de Almeida. Os trabalhos de cartografia foram dificultados pela intensa ocupação urbana, que impediu a observação dos afloramentos dos maciços rochosos existentes, fundamentalmente devido

109


ao facto de a superfície se encontrar coberta por edifícios, estradas e zonas ajardinadas (Teixeira Duarte[160], 1991). De uma forma geral, a zona possui um relevo acidentado, com cotas que ultrapassam 100 m, interrompidas por ribeiras profundamente encaixadas (ribeiras do Jamor, Barcarena, Paço de Arcos e Laje). Na região de Paço de Arcos e Oeiras, a topografia é aplanada, descendo suavemente para o Rio Tejo. Relativamente à litologia, a zona é caracterizada pela presença de afloramentos lávicos do Manto Basáltico de Lisboa, existindo formações subjacentes de calcários do Cretácico Superior e Médio, e formações do Miocénico nas zonas do final do traçado, a cotas mais elevadas. A zona em estudo encontra-se representada no extracto da folha 34-C da Carta Geológica de Portugal[44] (Esc. 1/50 000), apresentado na Figura 30. A tectónica da zona onde se desenvolve a obra encontra-se inserida na “Região Tabular de Lisboa” (Costa e Kulberg in Teixeira Duarte[160], 1991). As formações do Cretácico possuem atitudes subhorizontais, inclinando ligeiramente para Este. As formações sobrejacentes, constituídas pelo Manto Basáltico de Lisboa e formações miocénicas apresentam, igualmente, desenvolvimento subhorizontal. As formações referidas são atravessadas por falhas de direcção NE-SW, originando, por vezes, lacunas estratigráficas e contactos anormais, sem, no entanto, fazerem variar significativamente as atitudes referidas. Em termos de sismicidade, a região de implantação da obra encontra-se na zona de maior risco sísmico de Portugal, ou seja, na Zona A do “Novo Regulamento de Segurança e Acção para Estruturas de Edifícios e Pontes”, especificamente na Província

Sismotectónica de Lisboa. Os dois grupos principais de estruturas sismogénicas que, segundo estudos recentes, podem afectar a zona de construção da obra, podem gerar intensidades expectáveis de graus VIII a X na escala de Mercali Modificada. A carta de intensidades sísmicas máximas de Portugal Continental (de 1901 a 1972), regista nessa zona um valor de grau VIII na Escala Internacional. Segundo Oliveira (1977), in Teixeira Duarte[160] (1991), para um período de retorno de 1 000 anos, os valores

máximos dos parâmetros sísmicos são: 130 cm.s-2 de aceleração, 13 cm.s-1 de velocidade e 7 cm de deslocamento.

110


CENOZÓICO “Argilas de Xabregas” “Calcários da Quinta das Conchas” “Areias do Vale de Chelas” “Calcários e areias de Musgueira e de Casal “Calcários de Entre-campos”

DEPÓSITOS DE COBERTURA Aluviões

“Areolas da Estefânia”

Areias de praia

“Argilas dos Prazeres”

Dunas Areias de dunas

“Formação de Benfica”

Dunas consolidadas

MESOZÓICO “Complexo vulcânico de Lisboa” com intercalações vulcano-sedimentares Calcários com rudistas e “camadas com Neolobites vibrayeanus” Calcários e

Areias e cascalheiras de praias antigas

Figura 30 - Extracto da Carta Geológica de Portugal (Esc. 1/50000), folha 34-C – Cascais, com a implantação dos túneis da 2ª fase do IGSSCE.

111


Os trabalhos de prospecção geofísica, constituídos por perfis sísmicos de refracção, incidiram sobre as zonas de emboquilhamento dos vários túneis, bem como em zonas de travessia com pequena profundidade. Os perfis foram executados segundo uma linha base de 65 m, tendo sido utilizado um sismógrafo de 12 canais, e a técnica de tiro directo, inverso e central. De uma forma geral, foram determinados três horizontes característicos, com diferentes gamas de velocidades de propagação das ondas sísmicas longitudinais, conforme consta na Tabela 17. Os trabalhos de prospecção mecânica incluíram sondagens de furação à rotação, ao longo do traçado previsto para o túnel, tendo sido utilizadas sondas Mobil-drill, Craelius e Longyear, com amostradores de parede dupla e coroas diamantadas. As sondagens à rotação foram realizadas com recuperação contínua da amostra, tendo sido executados ensaios in situ nos respectivos furos, nomeadamente ensaios de absorção de água do tipo Lugeon (medidos em unidades de absorção: 1 u.a. = 1 l/min/m à pressão de 1 kgf.cm-2), ensaios dilatométricos e ensaios SPT. Estas sondagens permitiram ainda identificar as unidades litológicas atravessadas, o grau de alteração e fracturação, a presença de descontinuidades, a percentagem de recuperação e o RQD (Teixeira Duarte[160], 1991).

Tabela 17 - Horizontes sísmicos e materiais correspondentes (baseado em Teixeira Duarte[160], 1991).

HORIZONTES

VEL. PROPAG. DAS ONDAS SÍSMICAS LONGITUDINAIS

MATERIAIS

1

< 700 m/s

aterros, depósitos de vertente, aluviões, materiais de cobertura

2

700 – 1700 m/s

tufos vulcânicos, maciço calcário descomprimido, materiais brandos

3

> 1700 m/s

maciços rochosos compactos a fracturados

112


Foram realizados 26 perfis sísmicos, abrangendo um comprimento total de cerca de 1690 m, e 45 sondagens com um total de 1367 m de furação (baseado em DRENA[47], 1995). Em termos de rácios associados às operações de prospecção geofísica e mecânica, para os 9450 m de extensão do túnel e os 10 emboquilhamentos, os valores são os seguintes:

1) Relação entre a quantidade de perfis sísmicos e número de emboquilhamentos do túnel : r1 = 2,6 perfis/enboquilhamento 2) Distância média entre sondagens: r2 = 210 m 3) Relação entre furação em sondagem e comprimento do túnel : r3 = 14,4 % Os ensaios de laboratório, realizados sobre os provetes das sondagens, foram de compressão uniaxial, velocidade de ultrassons e compressão pontual, cujas faixas de valores característicos são apresentadas na Tabela 18. Com base nos trabalhos de prospecção e caracterização, utilizando-se a classificação geomecânica de Bieniawski, foi realizado um zonamento geotécnico para cada túnel, conforme se encontra apresentado na Tabela 18. Assim, a zona geotécnica ZG1 é essencialmente composta por rocha considerada de boa qualidade, a zona ZG2 envolve um maciço rochoso de razoável qualidade e a zona ZG3 abarca os terrenos de pior qualidade, constituídos essencialmente por maciços terrosos ou rochosos muito alterados, incluindo falhas geológicas. O relatório do reconhecimento geotécnico incluía ainda algumas considerações geotécnicas relativas ao método de escavação a utilizar para as zonas identificadas.

113


Tabela 18 - Resumo das propriedades geológico-geomecânicas dos terrenos atravessados pelos túneis do IGSSCE – 2ª fase (baseado em Teixeira Duarte[160], 1991, DRENA[47], 1995 e Hidroprojecto/Consulmar[66], 1997).

TÚNEL

ZONA GEOTÉCNIC A ZG1

0

ZG2

ZG3

ZG1

1

ZG2

ZG3

2

MÓDULO DE DEFORMAB. [GPa]

COEF. POISSON (υ) [Adm]

RES.COMP UNIAXIAL (σr) [MPa]

Basalto compacto Calcário compacto Calcário margoso Brecha basáltica consolidada Tufo vulcânico compacto Calcário carsificado Tufo vulcânico argiloso, Zonas argilosas c/ blocos de calcário Esmag./enchimento de falhas Basalto compacto Calcário compacto Calcário margoso Brecha basáltica consolidada Tufo vulcânico compacto Calcário carsificado Tufo vulcânico argiloso, Zonas argilosas c/ blocos de calcário Esmag./enchimento de falhas

2,7 − 3,0

30 − 50

0,3 − 0,5

80 − 100

2,3 − 2,7

10 − 20

0,2 − 0,3

50 − 80

2,0 − 2,6

0,05 − 0,07

−

0 − 0,26

2,7 − 3,0

50 − 70

0,2 − 0,3

50 − 100

2,3 − 2,7

15 − 30

0,1 − 0,2

40 − 60

2,0 − 2,6

0,05 − 0,1

−

0 − 0,26

Margas rijas

2,4 − 2,7

10 − 25

0,1 − 0,2

80

ZG2

Margas médias com argilas

2,3 − 2,6

5 − 10

0,5 − 0,1

20

Material esmagado Enchimentos Argilas Calcário compacto Calcário margoso

1,8 − 2,4

0,05 − 0,1

−

0 − 0,26

2,3 − 2,7

70 − 90

0,2 − 0,4

90 − 120

Calcário carsificado Marga com argilas Tufo compacto Tufo argiloso Calcário carsificado Argilas Basalto compacto Calcário maciço Calcário margoso Tufo compacto Calcário com carsificações Grés calcário rijo Grés calcário friável Tufo argiloso, Argilas Zonas de enchimento c/ blocos

2,2 − 2,6

15 − 30

0,1 − 0,2

40 − 60

1,8 − 2,3

0,05 − 0,1

−

0 − 0,26

2,7 − 3,0

60 − 90

0,2 − 0,3

50 − 100

2,4 − 2,7

20 − 30

0,1 − 0,2

50 − 80

1,8 − 2,3

0,05 − 0,1

−

0 − 0,26

ZG1

ZG2

ZG3

ZG1

4

DENSIDAD E

ZG1

ZG3

3

LITOLOGIA

ZG2

ZG3

(Continua)

114


Tabela 18 - Resumo da propriedades geológico-geomecânicas dos terrenos atravessados pelos túneis do IGSSCE (continuação).

TÚNEL

0

1

2

3

4

ZONA GEOTÉCNIC A

ÍNDICE RES. PONTUA L (IS) [MPa]

ÂNG. DE ATRITO DAS FRACTURAS (φ) [Graus]

COESÃ O (C) MPa]

−

GRAU DE ALTER.

W2−3

FRACTURAÇÃO [mm] F3−4 , F3

70-90

60 − 200

2100 − 3300 Calculado[*]

25-50

−

200 − 1000 Calculado[*]

−

6000 − 6500

75-95

2000 − 3000

25-50

200 − 1000 Calculado[*]

−

3000 − 4000

60-80

1000 − 2000

60-80

200 − 1000 Calculado[*]

−

6000 − 6500

75-90

2000 − 3000

50-60

200 − 1000 Calculado[*]

−

6000 − 6500

75-90

2000 − 3000

25-50

200 − 1000 Calculado[*]

−

3−6

35 − 45

ZG2

0,5 − 2

25 − 30

ZG3

−

< 15

ZG1

4−7

35 − 45

ZG2

0,5 − 2

30

−

−

ZG3

−

< 15

0 − 0,1

−

ZG1

2−4

35

−

−

ZG2

0,5 − 2

25

−

−

ZG3

−

< 20

0 − 0,1

−

−

−

−

F3

−

0 − 0,1

−

−

W2−3

ZG1

4−7

35 − 40

ZG2

0,5 − 2

25

−

−

ZG3

−

< 15

0 − 0,1

−

−

W2

ZG1

3−5

35 − 40

ZG2

0,5 − 2

25

−

−

ZG3

−

< 15

0 − 0,1

−

RQD [%]

4000 − 6500 Calculado[*]

ZG1

−

VEL. PROPAG. ULTRASONS (VL) [m/s]

200−600

F3−4 , F3 200−600 F4−5

60 − 200

− F3−4

60 − 200 60 − 200

200−600 60 − 200

− F3 200−600 F4 60 − 200

−

[*] Valor calculado de acordo com a equação dinâmica.

115


7.3. DESCRIÇÃO DO PROJECTO

O Projecto dos Túneis da 2ª fase do IGSSCE, compreendeu a abordagem e cálculo de um conjunto de assuntos relacionados com as diversas vertentes da obra, dos quais serão apenas descritos os aspectos relacionados com os túneis. Como foi referido no capítulo anterior, o zonamento geotécnico foi elaborado nos trabalhos de prospecção, tendo sido complementado no projecto através das classificações geomecânicas de Bieniawski, Wickham et al, Rocha, e Barton et al, para as zonas geotécnicas ZG1 e ZG2. Para a zona ZG3, constituída essencialmente por solos, foram aplicadas as classificações de Terzaghi, Deere e Brandt. As três zonas geotécnicas foram ainda parametrizadas de acordo com os ensaios in situ e de laboratório efectuados (DRENA[47], 1995). De acordo com DRENA[47] (1995), as várias classificações geomecânicas empregues nas zonas geotécnicas referidas, foram comparadas através das expressões de correlação propostas por Rutledge (1978) e Costa-Pereira (1985), tendo-se estas revelado razoáveis. O Projecto apresenta ainda, para cada túnel, considerações relativamente ao método construtivo, salientando que os troços de cada zona podem padecer de imprecisões, devido aos condicionalismos geológicos, nomeadamente a mudança de atitude das formações, ocorrência aleatória de formações e a presença desconhecida de filões subverticais. Para obviar este facto, é referido e aconselhado o acompanhamento permanente da obra, de forma a aferir a adequação do suporte inicial para cada caso (DRENA[47], 1995). O documento refere sumariamente que o método de escavação a usar seria o convencional, com emprego de explosivos. Subsequentemente, a proposta do Empreiteiro vencedor apresentava este método como o único a ser praticado na escavação, assinalando que em terrenos frágeis seriam usados métodos manuais. A metodologia de cálculo do suporte primário, nas zonas geotécnicas ZG1 e ZG2, assentou no cálculo das acções, que foram supostas resultar do peso dos volumes de rocha potencialmente destacáveis nos tectos, tendo-se utilizado expressões empíricas no cálculo destes volumes. Para cada caso em estudo, foram apresentadas duas alternativas de suporte, possuindo, qualquer delas, factores de segurança entre 6 e 10. Para as zonas geotécnicas ZG3, constituídas por terrenos pouco resistentes, foi utilizada uma modelação

116


geomecânica, admitindo um modelo elasto-plástico, de forma a dimensionar os suportes e a estimar os deslocamentos (DRENA[47], 1995). O pré-dimensionamento dos suportes baseou-se no método da convergência-confinamento (curvas de resposta ou curvas características), tendo sido assumida como uma estimativa grosseira da solução pretendida. Neste cálculo foram assumidos deslocamentos máximos de 4 cm para materiais não expansivos e 8 cm para materiais que exibam fenómenos de expansibilidade (DRENA[47], 1995). Segundo DRENA[47] (1995), as zonas ZG3 foram assumidas como possuindo as mesmas características mecânicas, variando apenas o recobrimento ao longo do traçado, tendo sido efectuados cálculos para recobrimentos de 90, 60 e 45 m. Devido à possibilidade de ruína nestes terrenos, optou-se pela adopção de um sistema de suporte constituído por cimbres metálicos (cambotas) e betão projectado, eventualmente associados a chapas metálicas e enfilagens. Os valores teóricos obtidos com esta metodologia de cálculo, permitiram identificar várias soluções de suporte, dependentes do recobrimento e da expansibilidade dos materiais, conforme se apresenta na Tabela 19. Tabela 19 - Tipos de suporte em ZG3 (baseado DRENA[47], 1995).

RECOBRIMENTO

MATERIAIS SEM EXPANSIBILIDADE (K=1)

MATERIAIS COM EXPANSIBILIDADE (K=1,05)

90 m

Perfis INP 12 afastados 30 cm com 15 cm de betão projectado


60 m



45 m



A Tabela 20 apresenta uma síntese das ocorrências geológicas e das opções de projecto relativas aos suportes primários a aplicar em cada zona geotécnica, bem como o prazo máximo de aplicação destes. As zonas ZG3, apesar de não terem sido identificadas com precisão, foram apresentadas nos perfis geotécnicos, totalizando cerca de 750 m.

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Tabela 20 - Zonas geotécnicas em cada túnel, e respectivos tipos de suporte primário a aplicar e prazos de instalação (baseado em DRENA[47], 1995).

TÚNEL

ZONA GEOT.

ZG1

0

ZG2

ZG3

ZG1

1

ZG2

ZG3

2

960

619 Desconhec. Intercalado

600

790 Desconhec. Intercalado

Margas rijas

400

ZG2

Margas médias com argilas

550

ZG3

Material esmagado Enchimentos Argilas

Desconhec. Intercalado

Calcário compacto Calcário margoso

830

ZG2

ZG3

ZG1

4

Basalto compacto Calcário compacto Calcário margoso Brecha basáltica consolidada Tufo vulcânico compacto Calcário carsificado Tufo vulcânico argiloso, Zonas argilosas c/ blocos de calcário Esmag./enchimento de falhas Basalto compacto Calcário compacto Calcário margoso Brecha basáltica consolidada Tufo vulcânico compacto Calcário carsificado Tufo vulcânico argiloso, Zonas argilosas c/ blocos de calcário Esmag./enchimento de falhas

COMP. PREVISTO [m]

ZG1

ZG1

3

LITOLOGIA

Calcário carsificado Marga com argilas Tufo compacto Tufo argiloso Calcário carsificado Argilas Basalto compacto Calcário maciço Calcário margoso

ZG2

Tufo compacto Calcário com carsificações Grés calcário rijo

ZG3

Tufo argiloso, Argilas Zonas de enchimento c/ blocos, calc. carsificado

1800


550

1600


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TIPO DE SUPORTE INICIAL Betão proj. 5 cm, pregagens ocasionais na abóboda c/ 1m espaçadas de 1.5 a 2m Betão proj. 10cm, pregag. 2m na abóboda espaçadas 1 a 1.5m, eventuais cimbres Cimbres INP 12 espaçados 0.5m, chapas ou malhasol, betão proj. com 2×5cm Betão proj. 5 cm, pregagens ocasionais na abóboda c/ 1.5m espaçadas 1.5 a 2m Betão proj. 5cm, pregag. 2m espaçadas 1 a 1.5m, eventuais cimbres esp. 1m Cimbres INP 12 espaçados 0.5m, chapas ou malhasol, betão proj. com 2×5cm Malhasol e betão proj. 5 cm, pregagens ocasionais c/ 2m espaçadas 2m Betão proj. 5cm, pregag. 2m espaçadas 1 a 1.5m, betão c/ 10cm e malhasol, eventuais cimbres esp. 1m Cimbres INP 12 espaçados 0.5m, chapas ou malhasol, betão proj. com 2×5cm Betão proj. 5 cm, pregagens ocasionais na abóbada c/ 1 a 1.5m espaçadas 1.5 a 2m, eventual rede malhasol Betão proj. 5cm, pregag. 2m espaçadas 1 a 1.5m, eventual malhasol e/ou cimbres esp. 1m Cimbres INP 12 espaçados 0.5m, chapas ou malhasol, betão proj. com 2×5cm Betão proj. 5 cm, pregagens ocasionais na abóbada c/ 1m espaçadas 1.5 a 2m, eventual rede malhasol Betão proj. 10cm, pregag. 2m espaçadas 1 a 1.5m, eventual malhasol e cimbres esp. 1m Cimbres INP 12 espaçados 0.5m, chapas ou malhasol, betão proj. com 2×5cm

PRAZO DE INSTALAÇÃ O DO SUPORTE 15 dias ou à distância de 30m da frente 2 dias ou à distância de 10m da frente Betão imediato, total no final do dia 15 dias ou à distância de 30m da frente 2 dias ou à distância de 10m da frente Betão imediato, total no final do dia 1 semana ou à distância de 15m da frente 2 dias ou à distância de 10m da frente Betão imediato, total no final do dia 15 dias ou à distância de 30m da frente 2 dias ou à distância de 10m da frente Betão imediato, total no final do dia 15 dias ou à distância de 30m da frente 2 dias ou à distância de 10m da frente Betão imediato, total no final do dia


7.4. FISCALIZAÇÃO DA OBRA

As actividades de fiscalização das obras subterrâneas da 2ª fase do IGSSCE, englobaram um conjunto de tarefas técnicas e administrativas, de onde se realçam, a nível geotécnico, a cartografia e caracterização geológica, a instrumentação dos trabalhos, a aferição da qualidade de execução dos trabalhos e o cumprimento do Projecto ou a fundamentação de eventuais alterações. Algumas das tarefas englobadas na caracterização geológica e instrumentação, nomeadamente o acompanhamento dos assentamentos e convergências e a instrumentação relativa ao controlo de vibrações e ruídos, serão referidas em capítulos subsequentes. Uma das funções de maior relevo desempenhada pela Fiscalização, a nível de geotecnia, consistiu na cartografia das frentes de desmonte, com o objectivo de atribuir a classificação do tipo de zona geotécnica em causa. Esta tarefa era desempenhada por uma equipa com elementos da Fiscalização e do Projectista, acompanhados por responsáveis do Empreiteiro. O acompanhamento das actividades de construção, nas várias vertentes técnicas e logísticas, foi realizado por fiscais de frente, encarregados de contabilizar os materiais empregues e garantir a observância do projecto. Será útil referir que esta obra, de grande extensão, desenvolveu-se de forma geral a pequena profundidade em maciços rochosos muito heterogéneos, constituídos por materiais difíceis de escavar e de suportar, existindo ainda frequentes mudanças litológicas. A principal dificuldade na execução desta obra foi motivada pelos maciços rochosos envolvidos. Este facto deveu-se às características destes terrenos, cuja frequente variação implicava uma alteração nos métodos de escavação e suporte, motivando a alteração de meios, equipamentos e tipos de suporte empregues. De uma forma geral, as técnicas de instrumentação utilizadas nesta obra, pela Fiscalização, englobaram medições de convergências, de assentamentos à superfície, do nível freático, registo de vibrações e de ruídos.

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7.5. ASSESSORIA TÉCNICA AO DONO DE OBRA

A vertente geotécnica da Assessoria Técnica ao Dono de Obra, ou Assessoria Geotécnica, exerceu uma tarefa crucial na definição e optimização dos processos de escavação e sistemas de suporte, em ligação com as restantes entidades em obra, isto é, Projectista, Fiscalização e Construtor. De facto, a Assessoria Técnica interveio em diversos aspectos relacionados com a optimização dos métodos de escavação, nomeadamente pelo estabelecimento da utilização de critérios de escavabilidade, que permitiram optar por desmonte mecânico em terrenos brandos. Para a prossecução desta tarefa, foi elaborado um plano de acompanhamento semanal, que incluía a participação do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) e elementos da Assessoria Técnica. Nestas visitas semanais executavam-se ensaios de carga pontual sobre os materiais da frente de desmonte, bem como ensaios directos sobre a frente com o martelo de impacto de Schmidt. As considerações sobre estes trabalhos serão referidas no capítulo 7.6.1. Em termos de métodos de escavação, procurou-se ainda a implementação de técnicas que observassem a legislação em vigor e minorassem os transtornos às populações, nomeadamente os motivados pelas vibrações e ruídos resultantes das detonações dos explosivos. Assim, foi estabelecida a interdição do uso de explosivos entre as 22 e as 8 horas, de forma a cumprir a lei do silêncio, evitando também a geração de vibrações aos edifícios das imediações, nesse período de descanso dos habitantes. Esta entidade exerceu igualmente a sua acção nas operações acessórias, designadamente as operações de ventilação e drenagem, com vista a optimizar as condições no interior dos túneis e reduzir o prazo de execução. Neste contexto, foram emitidas recomendações à equipa de segurança da obra, com vista a implementar melhorias nos sistemas de ventilação, através do incremento do caudal de ar, aproximação entre a boca da manga de ventilação e a frente e a reparação de fugas e estrangulamentos, bem como aumentar a eficiência das bombas de drenagem e regularizar frequentemente a soleira do túnel. A Assessoria Técnica solicitou ainda trabalhos complementares de instrumentação, designadamente a instalação de réguas de nivelamento topográfico de precisão, na passagem por zonas densamente urbanizadas e com pequeno recobrimento, de forma a detectar possíveis assentamentos. Esta entidade avaliou ainda outros aspectos, como o

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dano ao maciço rochoso provocado pelas detonações explosivas, que se descreverá no capítulo 7.8.1.2. .

7.6. ESCAVAÇÃO DOS MACIÇOS 7.6.1. MÉTODOS DE ESCAVAÇÃO

O principal método de escavação utilizado neste conjunto de cinco túneis foi o desmonte com explosivos. De uma forma geral, foram utilizados Jumbos de dois braços (Figura 31) na perfuração do diagrama de fogo, após a qual eram carregados os explosivos e detonada a frente.

Figura 31 - Jumbo de dois braços utilizado na perfuração das frentes, nos túneis do IGSSCE – 2ª fase (cortesia de Sr. José Paiva). Os diagramas de fogo utilizados nestes túneis, no que se refere ao número de furos, quantidade de explosivos e carga instantânea detonada, sofreram adaptações dependentes do tipo de rocha a desmontar e da presença de estruturas nas imediações. Para maciços classificados como ZG1 ou ZG2, o diagrama de fogo tipo era composto por 46 furos com cerca de 3 m de comprimento, de 45 mm de diâmetro e um furo não 121


carregado com 105 mm (Figura 32). Nas zonas ZG1, a quantidade de explosivo por detonação era cerca de 61 kg, com a detonação simultânea de 4,4 kg de explosivo por retardo. Nas zonas ZG2 e ZG3, o diagrama e as cargas eram adaptadas às condições evidenciadas pelo maciço.

3.10 m

2.80 m

Figura 32 - Furação do diagrama de fogo tipo dos túneis do IGSSCE – 2ª fase. As actividades de construção dos túneis decorreram em dois turnos diários de cerca de 10 a 12 horas, com uma média de seis dias de trabalho por semana. As cronometragens efectuadas pela Fiscalização em todos os túneis, durante vários meses, forneceram os dados médios que se encontram na Tabela 21. Com estes valores, e sabendo-se que existiam entre 16 e 18 horas de trabalho por dia, é possível constatar que, na melhor das hipóteses, apenas era possível executar dois ciclos completos diários na zona ZG1 e apenas um ciclo em ZG2 e ZG3. Este facto contribuiu decisivamente para as reduzidas velocidades de avanço das frentes de escavação. Uma das actividades desenvolvidas pela Assessoria Técnica, em conjunto com as restantes entidades presentes na obra, para a optimização dos métodos de escavação dos túneis, envolveu a definição de critérios que permitissem balizar a utilização dos equipamentos envolvidos na escavação.

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De facto, no túnel 4, especificamente na frente de jusante (Ribeira da Laje), que era escavado com perfuração e explosivo, as condições do maciço, composto essencialmente por tufos vulcânicos com fracas características mecânicas, levaram à adopção de um método alternativo de escavação. Utilizou-se, para tal, o critério de escavabilidade de Franklin, conforme foi apresentado no capítulo 4.2.1.2. , utilizando-se os ensaios de carga pontual (LNEC[95], 1997) e os dados relativos à fracturação, fornecidos pela Fiscalização.

Tabela 21 - Ciclos médios de trabalho praticados em cada zona geotécnica (Hidroprojecto/Consulmar[67], 1997). Zona Geotécnica

Furação (horas)

Carga e Desmonte (horas)

Ventilação e Limpeza (horas)

Suporte (horas)

Avanço Médio (m/pega)

Duração do ciclo (horas)

ZG1

3

1

3

3,5

2,8 a 3,3

10,5

ZG2

3

1

3

7

2,5 a 2,8

14

ZG3

3a4

1a2

3

14

1,5 a 2,5

≈22

A Tabela 22 apresenta as gamas de valores de resistência à carga pontual, obtidos em maciços classificados como ZG3.

Tabela 22 - Diferentes materiais de zonas geotécnicas ZG3 e respectivos valores de resistência à carga pontual (baseado em LNEC[95], 1997). MATERIAIS

RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO PONTUAL, IS50 [MPa]

Maciço vulcano-sedimentar

0,60 – 1,60

Brecha basáltica consolidada

0,30 – 0,70

Tufo vulcânico argiloso

0,15 – 0,40

O facto dos valores de resistência à compressão pontual, para este maciço de tufo vulcânico da frente 4 jusante, se apresentarem próximos de 0,3 MPa, o que, de acordo com o critério de Franklin, separava a escavação com explosivos da escavação mecânica, motivou uma desfavorável alternância de processos de escavação. Assim, em semanas consecutivas, ora se utilizavam explosivos, ora se escavava com meios mecânicos, concretamente com um martelo hidráulico JVC (Figura 33).

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Este facto foi minorado através da utilização de um processo misto de desmonte, composto pela detonação de alguns tiros na zona de caldeira, seguida do desmonte com martelo hidráulico. A acção dos explosivos permitiu a fracturação do maciço e a criação de uma superfície livre no centro da frente, facilitando a posterior desagregação com o equipamento hidráulico. Por outro lado, a utilização de pequenas cargas localizadas no centro da frente, não induzia a propagação da fracturação ao interior do maciço remanescente, mantendo-se assim a qualidade deste.

Figura 33 - Martelo hidráulico JVC, na esvavação do túnel 4, frente de jusante (cortesia de Sr. José Paiva). Nas frentes de desmonte onde foram efectuados os ensaios de carga pontual, essencialmente zonas ZG3, foram realizados ensaios com o martelo de impacto de Schmidt, procurando-se estabelecer um método expedito alternativo, com utilidade para o critério de escavabilidade. A correlação entre o Número de Schmidt e o IS50 não foi possível, existindo uma grande dispersão de valores, principalmente os do martelo de impacto. Algumas razões para esta dissonância serão apresentadas de seguida. O martelo de Schmidt, através do seu impacto, mobiliza, na resposta, uma zona ampla de rocha, semelhante a um bolbo de tensões mobilizado pela carga de uma sapata. De outra

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forma, a prensa de carga pontual, aplicada a uma amostra do mesmo local, geralmente uma amostra intacta, mobiliza apenas a resistência de uma secção da amostra no ensaio (Figura 34).

Maciço são

Maciço fracturado (na frente)

A B

Suporte

Figura 34 - Esboço em planta da influência e campo de utilização do Martelo de Schmidt (A) e da Prensa de Carga Pontual (B), numa frente de escavação. Deste modo, com o propósito de selecção do método de escavação utilizando um critério de escavabilidade, o martelo de Schmidt não é apropriado para a caracterização de maciços pouco fracturados, uma vez que a sua acção recai sobre uma zona descomprimida e afectada pela escavação, quando se pretenderia caracterizar a totalidade do maciço a escavar. Este inconveniente é grandemente reforçado em casos de desmonte com explosivo, onde o dano ao maciço motiva a criação e propagação das fracturas nas imediações da frente. Por outro lado, a prensa de carga pontual não constitui um boa opção de ensaio de caracterização de maciços muito fracturados, onde se pretenda o desmonte mecânico. De facto, ao amostrar blocos individualizados, este ensaio caracteriza apenas uma secção do bloco ou, na melhor das hipóteses, a amostra de rocha, não sendo válido para a caracterização do maciço. Este aspecto é ainda agravado pelo facto dos processos de escavação desagregarem o maciço pelas zonas de menor resistência, ou seja, pelas fracturas ou heterogeneidades.

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Um outro factor a atender na escolha do método expedito de caracterização mecânica da frente, diz respeito ao tempo que medeia entre o desmonte e a utilização de qualquer destes equipamentos, podendo induzir a descompressão do maciço na frente e a subsequente deterioração da rocha e falseamento dos resultados dos ensaios. A selecção dos equipamentos e técnicas de caracterização expedita, com propósitos de utilização de critérios de escavabilidade, deve atender não só ao tipo de maciço envolvido (essencialmente a fracturação), mas também ao método de escavação que expôs a frente em estudo e ao tempo de aplicação dos métodos, de forma a não serem falseados os resultados. Relativamente ao zonamento geotécnico, efectuado antes da obra, e a sua correspondência com os valores reais encontrados (Tabela 23), as diferenças foram significativas, motivando um acréscimo dos custos e prazos de execução. Esta diferença de zonas geotécnicas, a par de outros problemas de execução, provocaram um atraso de cerca de 70% relativamente ao previsto, porquanto induziram à utilização de métodos de escavação e de suporte mais morosos. As duas principais causas que motivaram estas diferenças, relacionam-se com a inadequação da prospecção em face da Geologia existente, e com a deterioração do maciço por acção dos métodos de desmonte.

Tabela 23 - Comprimentos e percentagens previstas e reais de Zonas Geotécnicas (Dinis da Gama[43], 1998).

ZONA GEOTÉCNICA

PREVISTO

REAL

DIFERENÇA

metros

% do total

metros

% do total

metros

% do total

ZG1

3300

35

1418

15

-1882

-20

ZG2

5400

57

3402

36

-1998

-21

ZG3

750

8

4630

49

+3880

+41

De facto, as condições geológicas locais revelaram grande heterogeneidade, onde as formações com desenvolvimento subhorizontal eram interrompidas por filões basálticos, bolsadas de argila, ou graus de fracturação superiores aos expectáveis. A ocorrência aleatória destas feições, impediu que tivessem sido detectadas na fase de prospecção, não tendo, inclusivamente, sido atravessadas por qualquer sondagem.

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A outra causa para a diferença entre o zonamento previsto e o real, deve-se ao dano causado ao maciço pela utilização de explosivos. A acção dos explosivos motivou a criação de fracturas e a propagação das já existentes, reduzindo, de uma forma geral, a coesão do maciço. Os aspectos técnicos e a quantificação deste fenómeno, serão abordados no capítulo 7.8.1.2. . Relativamente ao desenvolvimento da escavação em maciços pouco coerentes, foi necessário escavar um troço com cerca de 200 m, em materiais desagregados que constituíam um antigo aterro de uma pedreira. De forma a serem obtidas condições seguras de escavação, foi utilizada a técnica de Jet-grouting desde a superfície, construindo-se colunas contíguas de 1 m de diâmetro, passando tangentes aos hasteais do túnel. Neste troço foi utilizado um martelo hidráulico para a escavação, com cuidados acrescidos no que se refere ao vão livre sem suporte, optando-se por avanços de cerca de 1 m. Os ensaios de carga pontual executados sobre amostras das colunas de Jet-grouting, revelaram valores entre 0,8 e 1,3 MPa, que foram considerados suficientes, juntamente com os cuidados construtivos utilizados, para a segurança da obra. Um outro aspecto anómalo que se deparou durante a escavação, refere-se à ocorrência de uma cavidade cársica de dimensões significativas no túnel 3. A solução escolhida para ultrapassar esta dificuldade compreendeu a injecção de argamassa, desde a superfície, através de um furo com 200 mm de diâmetro e 56 m de comprimento, tendo-se utilizado cerca de 141 m3 de argamassa.

7.6.2. CARREGAMENTO, TRANSPORTE E DEPOSIÇÃO DE ESCOMBROS

A eficiência dos ciclos de trabalho foi gravemente prejudicada pela exiguidade do espaço no interior dos túneis, impedindo, na maior parte dos casos, a execução simultânea de actividades. De facto, a secção média dos túneis após a instalação do suporte primário (8,5 m2), impedia que se exercessem simultaneamente algumas operações, como é usual na maioria das obras, nomeadamente a escavação e remoção, no caso de desmonte mecânico, ou a instalação do suporte e remoção, no caso do desmonte com explosivos. Este aspecto foi-se agravando com o aumento de comprimento dos túneis, que induziu maiores períodos de circulação dos equipamentos e pessoal, prolongando significativamente a duração dos ciclos.

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De forma a minorar o efeito do crescente comprimento dos túneis, principalmente na operação de remoção, foram efectuados nichos afastados entre si de 200 m, servindo de depósito temporário de escombros (Figura 35). A criação destes nichos permitiu reduzir o período de limpeza da frente, decorrendo assim o transporte dos escombros para o exterior, em simultâneo com outras actividades.

Figura 35 - Escavação de um nicho (esquerda) no túnel 4, frente de jusante. Relativamente à deposição final dos volumes escavados nos túneis, esta processou-se para aterros apropriados, constituindo uma importante parcela dos custos globais. Os trabalhos de construção da soleira, através da regularização do piso e posterior betonagem, representou igualmente uma fonte de atraso, uma vez que inviabilizava a circulação de equipamentos e pessoal. Estes trabalhos eram, geralmente, realizados nos fins de semana em que obras eram interrompidas, de forma a minorar estes efeitos nefastos. É de referir, que a boa execução da soleira dos túneis, o mais rapidamente possível, introduzia claros benefícios no transporte, circulação de pessoal, ventilação e drenagem, com um balanço positivo em relação às velocidades de avanço e desgaste de equipamentos.

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Como é sabido, as obras subterrâneas decorrem num ambiente confinado e hostil, tanto para pessoas como para equipamentos. Este facto levou a que ocorressem bastantes avarias, que contribuíram para a redução das velocidades de execução. Os atrasos no fornecimento de materiais, nomeadamente o betão para projecção, foram igualmente um motivo de redução de produtividade. Estas causas concorreram para uma média de ociosidade nos turnos de trabalho, que variou entre 20 e 30%.

7.6.3. OPERAÇÕES ACESSÓRIAS

Relativamente às operações acessórias, designadamente a ventilação, a iluminação e a drenagem, a sua eficiência foi sendo reduzida com o aumento da extensão dos túneis. Assim, no que respeita à ventilação, de tipo insuflante, o caudal debitado foi decrescendo gradualmente, devido ao grande comprimento dos túneis. Além deste factor, as reduzidas secções dos túneis motivaram uma grande interferência entre os equipamentos e a manga de ventilação, traduzida por bastantes rasgos que exigiam uma manutenção contínua, nem sempre efectuada. Um outro aspecto adverso, diz respeito ao carácter não rectilíneo do traçado. De facto, as curvas do traçado implicaram, igualmente, uma redução, por perda de carga, nos caudais de ar debitados para o interior dos túneis. Tratando-se de uma escavação em fundo de saco, e uma vez que o método de desmonte foi, maioritariamente, processado com utilização de explosivos, a boca da manga de ventilação não podia encontrar-se muito perto da frente, sofrendo constantes danos com o sopro da detonação e com a projecção de blocos. Todos estes factos contribuíram para que a ventilação se tornasse num aspecto merecedor de intervenção específica. Para reduzir estes inconvenientes, e manter as condições mínimas de salubridade no interior dos túneis, foi aumentado o tempo de ventilação após a detonação, sem se realizarem outras actividades construtivas simultâneas. A drenagem dos túneis foi outro aspecto crítico, agravando-se à medida que os túneis aumentavam de comprimento, principalmente nas frentes dirigidas para montante que possuíam inclinação contrária à drenagem natural para o exterior. Para este problema contribuiu, ainda, a irregularidade dos pisos, que eram danificados pela constante circulação de equipamentos pesados, designadamente as pás carregadoras LHD e os Jumbos.

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Outro factor com grande influência nas condições de drenagem, foi a irregularidade dos fluxos de água para o interior dos túneis, que ocorriam de acordo com a permeabilidade das formações, induzindo ressurgências pontuais, geralmente nas frentes, implicando que a drenagem se processasse por todo o trajecto dos túneis. Este aspecto foi minorado através da regularização da soleira dos túneis, constituindo mais um factor de atraso dos trabalhos. A iluminação dos túneis, constituída por lâmpadas fluorescentes convenientemente espaçadas, não foi um aspecto problemático desta obra, bastando uma manutenção apropriada, para o seu bom funcionamento. Este aspecto melhorou acentuadamente as condições de visibilidade e de segurança no interior dos túneis.

7.7. SUPORTE DOS TÚNEIS 7.7.1. SUPORTE PRIMÁRIO DOS TÚNEIS E DAS FRENTES

O suporte típico dos túneis do IGSSCE (2ª fase), era composto essencialmente por dois sistemas distintos. Em zonas ZG1 e ZG2, eram utilizadas pregagens (ou ancoragens) e betão projectado, variando a quantidade de pregagens por unidade de superfície com as condições do maciço. Relativamente às zonas ZG3, utilizavam-se cimbres INP 12, geralmente com 1 m de espaçamento, juntamente com rede malhasol e betão projectado. O suporte das frentes, em casos de presença de materiais fracos, era conseguido através de betão projectado, do mesmo tipo do que era utilizado nos sistemas de suporte primário (Figura 36). O zonamento geotécnico, anteriormente referido, utilizava critérios geológicos, nomeadamente a identificação da litologia, do grau de fracturação e da presença de ressurgências de água. Os resultados desta classificação influenciaram, de forma preponderante, os sistemas de suporte, nomeadamente a densidade de cimbres (em ZG3) e de pregagens (em ZG1 e ZG2). Assim, quando o maciço se apresentava com más condições de estabilidade, em zonas classificadas como ZG3, era utilizada uma maior densidade de cimbres, chegando-se a atingir espaçamentos de 0,5 m.

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Figura 36 - Operação de projecção de betão no hasteal de um túnel do IGSSCE - 2ª fase. Um outro aspecto importante, dependente da avaliação referida, diz respeito à necessidade de sustimento de pré-suporte em avanço, através da aplicação de microestacas e enfilagens (Figura 37). Este método foi utilizado com frequência, em terrenos fracos, de forma a estabilizar a frente de desmonte e a abóbada do túnel antes da escavação e posterior instalação do suporte primário. Este método excepcional de pré-suporte, foi utilizado quando se apresentaram maciços propensos a ruínas da abóbada ou desplacamento das frentes, motivando o acréscimo significativo dos custos em sistemas de suporte. Por outro lado, a colocação destes elementos exigia a anterior perfuração (por Jumbos), bem como a injecção de betão no interior das microestacas, o que incidia nos tempos de execução, reduzindo o ritmo de avanço. O facto de não se ter verificado qualquer colapso de elementos de suporte, nem a necessidade de reforço dos sistemas iniciais em ZG3, existindo apenas reforço esporádico em zonas ZG2, veio corroborar a percepção, reforçada pelos dados de projecto, que os coeficientes de segurança envolvidos eram bastante elevados.

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Figura 37 - Frente de desmonte com microestacas instaladas, para pré-suporte. Devido aos constrangimentos atrás referidos, no que respeita à adversidade das condições geológicas e ao reduzido espaço de manobra, resultaram longos tempos de operação que motivaram que o suporte primário iniciasse o seu efeito após um elevado período de exposição sem sustimento, principalmente em zonas ZG3. Este facto foi agravado nos desmontes com explosivo, em que a sobreescavação criava grandes distâncias entre o suporte e o maciço, posteriormente alvo de enchimento com betão. Contudo, este facto não se traduziu em assentamentos superficiais consideráveis, possivelmente pela circunstância dos maciços possuírem características mecânicas superiores às que inicialmente se lhes atribuía. Relativamente às zonas de material de inferior qualidade, designadamente as zonas ZG3, e devido ao pequeno recobrimento existente (40 m em média), o suporte com cimbres, malhasol e betão projectado, não aparenta ter desempenhado uma função flexível,

132


confirmado pelas medições de convergências. Este facto foi favorável no que respeita às consequências nos assentamentos superficiais.

7.7.2. REDIMENSIONAMENTO DO REVESTIMENTO FINAL

O suporte final dos túneis era composto por betão armado, construído através de uma cofragem deslizante (Figura 38). Este revestimento tinha o objectivo de reforçar o sustimento dos túneis, bem como assegurar boas condições de escoamento nos túneis, cumprindo assim o seu objectivo final.

Figura 38 – Instalação do revestimento final através de cofragem deslizante. Os dados de projecto, comprovados pelas observações na fase construtiva, atribuíam elevados factores de segurança ao suporte primário. De facto, a existência de elevadas quantidades de elementos metálicos, que permaneceriam instalados por todo o tempo de serviço da obra, juntamente com os reduzidos valores de convergências verificados, permitiu o estudo de redimensionamento do suporte secundário. Esta análise foi elaborada com a inclusão dos elementos metálicos do suporte primário, tendo resultado na exclusão das armaduras deste revestimento final. Este estudo permitiu assim uma substancial economia para o Dono de Obra, mantendo os níveis de segurança da obra dentro de valores muito favoráveis.

133


7.8. DESEMPENHO E QUALIDADE FINAL DA OBRA 7.8.1. MONITORIZAÇÃO E ACOMPANHAMENTO DA OBRA 7.8.1.1. Descrição Geral

As tarefas de instrumentação e acompanhamento permanente foram desenvolvidas pelas várias entidades intervenientes, incidindo em aspectos diferentes, mas contribuindo todas para a tentativa de melhoria geral e progressiva da obra. As tarefas desenvolvidas pelo Projectista, incluíram o acompanhamento sistemático da obra, colaborando na classificação das frentes e no estabelecimento do sistema de suporte a utilizar em cada caso. A sua acção estendeu-se ao redimensionamento do revestimento final do túnel, bem como à assistência técnica rotineira. No que respeita à Fiscalização, a entidade, por excelência, com maiores responsabilidades nas tarefas de acompanhamento e monitorização da obra, foi por esta implementado o sistema de monitorização geotécnica dos trabalhos, englobando a medição de convergências no interior dos túneis, de assentamentos superficiais, de vibrações e ruídos, bem como o acompanhamento permanente dos trabalhos, através da permanência de fiscais em todas as frentes de trabalho, durante os períodos de actividade. A Assessoria Técnica desenvolveu igualmente tarefas de supervisão da obra, contando com pessoal próprio e com equipas do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC). Estas tarefas foram essencialmente desenvolvidas com o intuito de optimizar os métodos de escavação dos terrenos brandos e aferir a competência do suporte instalado nas zonas geotécnicas de menor qualidade. Para a prossecução da tarefa de selecção do método de escavação, foi desenvolvido um programa de trabalhos, com visitas semanais à obra, realizando ensaios de carga pontual, que posteriormente eram utilizados no critério de escavabilidade de Franklin, conforme referido no capítulo 7.6.1. Relativamente aos ensaios e monitorização sobre os elementos de suporte, o LNEC desenvolveu uma campanha de carotagem nos hasteais e a instrumentação de cambotas (cimbres). Sobre os provetes extraídos das sondagens nos hasteais foi realizado um

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conjunto de ensaios, de forma a aferir as condições do maciço nas imediações dos túneis. A instrumentação das cambotas foi elaborada através da instalação de seis extensómetros nestes elementos, medindo-se semanalmente os seus valores (Figura 39).

Figura 39 - Medição dos extensómetros instalados nos cimbres, pela equipa do LNEC. Com os resultados parciais disponíveis, foi possível acompanhar a evolução das acções sobre os cimbres, com a respectiva tendência para a estabilização, que ocorreu perante cargas bastante inferiores à capacidade de resistência destes elementos, como era expectável.

7.8.1.2. Controlo da Influência sobre o Meio

As actividades de controlo e monitorização das interferências provocadas pela obra sobre o meio envolvente, desenvolveram-se sobre vários aspectos. Nestes trabalhos foram incluídas as medições de vibrações e ruídos motivados pelas detonações, o dano provocado ao maciço pelo processo de escavação, a medição de convergências e a medição de assentamentos superficiais. Foi assim desenvolvido um esforço de vigilância e preservação em diversos sentidos, nomeadamente das condições das estruturas existentes, do bem estar das populações e do maciço rochoso afectado.

135


As vibrações foram alvo de monitorização, em pontos críticos das estruturas envolventes, registando-se com estes equipamentos as várias velocidades vibratórias, comparando-se posteriormente o valor de pico resultante com a legislação em vigor. Na Figura 40 e Figura 41 encontram-se um diagrama de fogo executado na obra e o respectivo registo de vibrações. Neste contexto, à excepção de alguns eventos anómalos, não se verificaram muitos valores superiores aos legislados.

X

IX

IX

VI

VII

II

II

VII

I 14

VI

15

VI

7 10

11 4

IV

V

XI

12

XI

IV

0

5 II

1 6

2

3

8

9

VI

3.10 m

X

II

13 V

XI

XI

2.80 m

Caldeira = 4 cartuchos + cordão detonante Alargamento = 4 cartuchos + cordão detonante Contorno = 3 cartuchos + cordão detonante Soleira = 4 cartuchos + cordão detonante

Carga Total = 18,7 kg Comprimento de furação = 1,5 m Número de furos = 39 + 4 (φ=120mm)

Figura 40 - Exemplo de um diagrama de fogo executado nos túneis do IGSSCE. O estabelecimento das equações de propagação da vibração (página 91), para os diferentes maciços rochosos, através da calibração das constantes a, b e c por regressão múltipla, não foram possíveis devido às deficiências de registo de distâncias e falta de precisão dos dados referentes às cargas detonadas. Além destes aspectos, a heterogeneidade das formações geológicas, onde existia a sobreposição de várias litologias, com frequentes alterações, impediu a obtenção de bons resultados neste estudo.

136


Figura 41 - Registo de vibrações do diagrama de fogo.

137


Relativamente ao ruído, a análise foi ainda mais difícil, uma vez que existia uma constante alteração do percurso da onda aérea, com o desenvolvimento dos trabalhos. Após o estabelecimento da inibição de utilização de explosivos das 22 às 8 horas, o aspecto do ruído deixou de ser um factor causador de transtorno. O dano ao maciço rochoso circundante, foi avaliado para os diferentes tipos de maciço envolvidos, segundo a classificação em zonas geotécnicas ZG1, ZG2 e ZG3. As distâncias calculadas abaixo das quais o maciço sofre danos foram, para 1 kg de gelamonite: D = 0,53 m, para ZG1; D = 0,81 m, para ZG2 e D = 3,14 m para ZG3 (Dinis da Gama[43], 1998). A execução de sondagens horizontais na frente de avanço permitiu avaliar a magnitude desse dano, embora tenham sido pouco numerosas. Estes valores permitem afirmar que o dano causado em zonas ZG3, estendem-se para bem longe da frente de desmonte, motivando fenómenos de sobrefracturação e sobreescavação (Figura 42). Este facto veio reforçar a escolha de métodos de escavação mecânica neste tipo de terrenos.

SOBREESCAVAÇÃO

Figura 42 - Fenómeno de sobreescavação nos túneis do IGSSCE – 2ª fase. O controlo das convergências no interior dos túneis, foi elaborado através da utilização de marcas implantadas no perímetro dos túneis, segundo as secções representadas na

138


Figura 43. Os valores de convergência medidos, raramente ultrapassaram 2 mm, sendo poucos os casos que mereceram intervenção em termos de reforço do suporte. Um exemplo de um gráfico com a evolução das convergências numa secção de um túnel encontra-se representado na Figura 44.

C3

C2

C1

Figura 43 - Secção tipo de medição de convergências nos túneis do IGSSCE – 2ª fase (adaptado de CÊGÊ/FBO[19], 1997). Relativamente aos assentamentos, os valores mantiveram-se dentro do expectável, não tendo existido riscos de monta para as estruturas superficiais.

139


Figura 44 - Registo de medição de deslocamentos (convergências) de uma secção de um túnel do IGSSCE - 2ª fase (adaptado de CÊGÊ/FBO[19], 1997).

7.8.2. SEGURANÇA E SALUBRIDADE

Relativamente às condições de segurança e salubridade da obra, concretamente as relativas aos trabalhos subterrâneos, foram implementadas as medidas preconizadas no Projecto, bem como outras que se revelaram necessárias.

140


Deste modo, além das implicações e aspectos referidos no capítulo 7.6.3, foram realizados trabalhos específicos relacionados com a segurança física dos trabalhadores no interior dos túneis. Um dos aspectos implementados refere-se à construção de abrigos (refúgios) nos hasteais dos túneis, para protecção dos trabalhadores perante a circulação dos equipamentos. Os abrigos, com cerca de 1 m de largura, 1 m de comprimento e 1,80 m de altura, foram implantados no interior dos túneis, de forma a permitir o refúgio de uma pessoa no caso de cruzamento com os equipamentos em circulação. O Plano de Segurança e Saúde da obra foi implementado, tendo sido acompanhado pela equipa de segurança designada para o efeito.

7.9. CONCLUSÕES

As tarefas de acompanhamento geotécnico deste conjunto de túneis, desenvolvido por todas as entidades referidas, motivaram o estudo e implementação de medidas, com vista a optimizar os sistemas de construção, bem como ultrapassar as ocorrências surgidas na obra. A intervenção da Geotecnia alargou o seus efeitos à segurança na obra, métodos construtivos de escavação, dimensionamento dos suportes primários e secundários, entre outros. Estas actividades permitiram realizar uma obra mais económica, mais segura e num menor período de tempo. Neste contexto foi viabilizado um acordo entre o Dono de Obra e o Construtor, abrangendo o custo final de toda a infraestrutura e o prazo de execução, com claros benefícios económicos e operacionais para ambos. Os imponderáveis relacionados com as ocorrências geológicas verificadas no decorrer desta obra, em conjugação com os aspectos operacionais e com as restrições resultantes da especificidade da infraestrutura, destacam a importância da Geotecnia e do acompanhamento constante, como metodologia eficaz e imprescindível na solução dos problemas e na optimização de processos e sistemas.

141

8. CONSIDERAÇÕES FINAIS


Os conceitos apresentados neste trabalho, destacam a aplicação de várias metodologias, de forma faseada e com claras competências atribuídas a cada entidade. Esta sequência de etapas, e o seu enquadramento no desenrolar da concepção, projecto e execução de túneis, assume uma importância vital neste tipo de trabalhos, marcados por incertezas e constrangimentos próprios inerentes aos locais e ambientes onde decorrem. O realce conferido à interligação entre as principais fases de projecto e execução de túneis, pretendeu demonstrar a importância da sua articulação na competente execução de uma obra desta natureza. De facto, a prospecção, a escavação, o sustimento e a observação, são algumas das actividades que não se podem resumir a uma execução independente e isolada mas, antes de mais, devem influenciar-se entre si, de forma a serem atingidos os objectivos do empreendimento com segurança e economia. Os custos inerentes à aplicação das metodologias cientificamente correctas, ou as mais apropriadas no estado actual dos conhecimentos, são ainda hoje de difícil aceitação, uma vez que não resultam em benefícios imediatos. Este facto leva a que os intervenientes nestas obras utilizem estes métodos apenas quando imprescindíveis, por vezes demasiado tarde e com custos significativamente superiores. A execução de um túnel, desde a sua concepção até à entrada em serviço, engloba um vasto conjunto de conhecimentos, exigindo a participação de várias especialidades, com vista à constituição de uma desejável equipa multidisciplinar. Assim, para uma evolução

142


alicerçada deste ramo da Engenharia, não poderá continuar a dominar o empirismo, exercido por entidades mais preocupadas com os aspectos económicos imediatos do que com os factores técnicos dos empreendimentos. Para a constituição cabal de um grupo de trabalho nesta área, deverão concorrer várias especialidades, conforme as sucessivas exigências de cada fase, englobando peritos em Geologia, em Geomecânica e Mecânica dos Solos, em obras subterrâneas, entre outros. Deverá, assim, ser desenvolvido um esforço para conciliar a prática com a teoria, como única forma de transformar a experiência num acréscimo para a Ciência, colmatando a lacuna entre a Geotecnia teórica e a sua aplicação no terreno. Tratando-se de um ramo relativamente recente da Engenharia, no qual existe pouca experiência em Portugal, a técnica dos túneis é deficitária em investigação, carecendo de uma aposta mais vasta por parte das universidades, empresas projectistas e fiscalizadoras, empreiteiros e, principalmente, por parte dos donos de obra.

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