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    2. TNEIS E OBRAS SUBTERRNEAS

    2.1. INTRODUO

    2.1.1. HISTRICO DAS OBRAS SUBTERRNEAS

    A utilizao de cavidades subterrneas remonta pr-histria, quando os humanos procuravam

    abrigo contra as chuvas e seus predadores. O tnel mais antigo que se tem registro foi

    construdo a cerca de 4000 anos na Babilnia sob o leito do rio Eufrates, tendo a finalidade de

    estabelecer uma comunicao subterrnea entre o palcio real e o templo, separados por uma

    distncia de cerca de um quilmetro (seo 1,5 x 1,5 m). Esta obra deve ser admirada pois, o

    tnel seguinte escavado sob o leito de um rio s foi executado quatro milnios mais tarde, em

    1843, sob o rio Tmisa em Londres. A 2700 anos, um tnel de aduo de gua foi construdo

    na ilha grega de Samos, tendo 1,5 km de extenso e seo transversal de 1,8 x 1,8 m. Em

    Atenas, 1800 anos atrs, outro tnel de aduo foi construdo, o qual foi reformado em 1925 e

    ainda opera no sistema de aduo de gua para a cidade. Ainda na Idade Antiga, a maior rede

    de tneis foi construda em Roma na poca da perseguio aos cristos. Uma srie de cmaras

    escavadas ao longo de diversos corredores compe as catacumbas onde cerca de 6 milhes de

    cristos esto enterrados.

    Na Idade Mdia, a construo de tneis teve propsito prioritariamente militar. Alguns

    avanos ocorreram j no final desta fase, principalmente devido construo dos grandes

    canais de navegao na Europa (tnel Malpas no Canal de Midi, Frana, com 161 m de

    extenso, concludo em 1681). Em 1679, empregou-se, pela primeira vez em obras civis,

    explosivos (plvora) para o desmonte da face de escavao. At ento, eram utilizados

    martelos e cinzis na abertura de cavidades.

    Com a Revoluo Industrial e o desenvolvimento das mquinas a vapor, deu-se incio a Era

    das Ferrovias, que foi um dos perodos mais produtivos para a engenharia de tneis. Alguns

    desenvolvimentos desta fase valem ser lembrados. A construo do tnel sob o leito do rio

    Tmisa em Londres, foi iniciado em 1807, sendo sua construo abandonada por cerca de

    quinze anos devido a dificuldades construtivas. Sua concluso (1843) s foi viabilizada pela

    utilizao do primeiro shield por Brunel. A partir desse perodo houve uma rpida evoluo

    nos mtodos de abertura de tneis, com a introduo das mquinas de escavao hidrulicas e

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    pneumticas (1857), da dinamite (1864), do ar comprimido para expulsar a gua do lenol

    fretico e dos shields cilndricos (1869).

    No entanto, somente com o advento do NATM (New Austrian Tunnelling Method) queocorreu uma mudana na concepo dos sistemas de suporte, que evoluram at atingir o

    estgio atual. Assim, pode-se dividir a evoluo das obras subterrneas nos seguintes perodos:

    Pr-Histria (cavernas como moradia)

    Era Mineral - 4000 AC at os dias de hoje

    Era da Navegao - construo de canais (sec. XV e XVI)

    Era das Ferrovias - grandes avanos (sec. XIX)

    Era Ambiental - a partir dos anos 60

    2.1.2. DEMANDA ATUAL DE OBRAS SUBTERRNEAS

    O desenvolvimento scio-econmico tem gerado um aumento na demanda do transporte tanto

    de passageiros quanto de mercadorias. Entretanto, obstculos naturais ou artificiais, podem

    tornar invivel este transporte pelos meios convencionais. A execuo de obras subterrneas

    tem se mostrado uma boa alternativa na soluo desta questo. Tneis so hoje utilizados com

    as mais diversas finalidades. Pode-se citar, como exemplo, a escavao de tneis em

    montanhas que reduzem significativamente as distncias a serem cobertas por vias de

    transporte, satisfazendo a inclinao mxima permitida. Outras utilizaes so aduo de gua,

    esgoto, transportes urbanos, passagem de cabos, minerao, reservatrios etc.

    De acordo com sua finalidade, as obras subterrneas podem ser separadas nos principais

    grupos: Tneis de Trfego (tneis metrovirios, ferrovirios, rodovirios, para pedestres, para

    navegao etc.).

    Tneis de Aduo (tneis para desvio de rio e circuito hidrulico em usinas hidreltricas,

    para abastecimento de gua, para transporte de esgotos, para transporte de produtos

    industriais e minrios, para cabos eltricos, de telefonia, comunicao de dados, etc.).

    Outras tipos de obras subterrneas (cavernas urbanas para estacionamento, recreao etc.,

    cavernas para estocagem de fluidos e rejeitos. cavernas para barragens, shafts, poos deprospeco de petrleo, etc.).

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    Os dados abaixo visam dar uma idia das dimenses das maiores obras subterrneas e suas

    respectivas utilizaes:

    Tnel Metrovirio - linha do Metr de Moscou, de Medvedkovo at o Parque Bittsevsky,com 37,9 km de extenso (em operao desde 1990).

    Tnel Ferrovirio - tnel Seikan, ligando as ilhas Honshu e Hokkaido no arquiplago

    japons, com 53,9 km de extenso, escavado 240 m abaixo do nvel do mar e 100 m abaixo

    da superfcie do fundo do mar (construo de 1972 a 1988). Tambm merecem destaque os

    tneis gmeos do Canal da Mancha, entre Frana e Gr-Bretanha, com 49,9 km de extenso

    e 7,6 m de dimetro (construo de 1987 a 1994 e custo de US$ 16 bilhes). O novo tnel

    de So Gotthard, nos Alpes suos, ter cerca de 57 km (em construo). Tnel Rodovirio - tnel de So Gotthard, com duas faixas de rolamento, nos Alpes suos,

    com 16,3 km (construo de 1969 a 1980 e custo de US$ 280 milhes). O tnel rodovirio

    de maior seo transversal encontra-se em S. Francisco, EUA, com 24 m de largura e 17 m

    de altura.

    Tnel Hidrovirio - tnel Rove no canal de Marselha, Frana, com 7,1 km de extenso e

    seo transversal de 22 x 11 m2 (operao desde 1927, interrompida por acidente em 1963).

    Tnel para Aduo de gua - tnel Nova Iorque / Delaware, com 169 km de extenso e 4,1m de dimetro (construo de 1937 a 1944). Tambm vale incluir o tnel mais longo sem

    suporte, tnel Three Rivers em Atlanta, EUA, com 9,4 km de extenso e 3,2 m de dimetro

    (construo de 1980 a 1982).

    Tnel Hidreltrico - tnel dos Rios Orange e Fish, na frica do Sul, com 82,9 km de

    extenso e 5,4 m de dimetro (construo de 1967 a 1973 e custo de US$ 96 milhes).

    Existe tambm um projeto no Peru, a barragem de Majes, que envolver 98 km de tneis

    para fins hidreltricos de suprimento de gua.

    Tnel para Aduo de Esgoto - o sistema de esgoto de Chicago, EUA, quando completo,

    ter 211 km de tneis. Hoje existem j 121 km em operao e 29 km em construo, com

    dimetros variando de 2,7 a 10,0 m. O sistema tambm inclui para uma segunda fase

    cavernas para controle de poluio e cheias. O custo estimado do projeto de US$ 3,6

    bilhes.

    Cavernas para Armazenamento de Resduos - caverna Henriksdal, em Estocolmo, Sucia,

    com 1 milho de m3 de volume (construo de 1941 a 1971 e no momento em expanso).

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    Os tneis so, portanto, entendidos como estruturas subterrneas, construdos atravs de

    mtodos especficos de escavao de modo a causar uma mnima perturbao na superfcie.

    Podem, tambm, ser executados atravs da tcnica "Cut and Cover", que consiste na abertura

    de valas que sero aterradas aps a finalizao do tnel. A tcnica "Cut and Cover" possuiutilizao limitada por promover srias perturbaes na superfcie do terreno acima do tnel e

    interferncias com as redes de utilidades pblicas j instaladas, sendo invivel, por exemplo,

    em reas industriais ou densamente povoadas.

    Atualmente, a maior necessidade de obras subterrneas se concentra na construo de tneis

    de trfego e cavernas de estocagem, principalmente em centros urbanos densamente ocupados,

    liberando espao na superfcie para utilizaes mais nobres tais como, novas reas para

    moradia e lazer.

    2.1.3. MTODOS DE ESCAVAO

    Com o passar do tempo e com o acmulo de experincia, foram desenvolvidos vrios mtodos

    de escavao que culminaram no sculo XIX (Era das Ferrovias) com os chamados Mtodos

    Clssicos para Abertura de Tneis, dentre os quais destacam-se os mtodos Alemo, Belga,

    Austraco Clssico, Ingls etc. Estes mtodos preocuparam-se em fixar uma parcializao ou

    seqncia de escavao e instalao do suporte, em funo das condies geolgicas. Foram

    desenvolvidos a partir de experincias anteriores, adaptando-se s condies locais do macio

    escavado sem, no entanto, avaliar ou preservar sua qualidade. O suporte utilizado no

    otimizado pois no segue o princpio do alvio de tenses.

    Na dcada de 30, Rabcewicz iniciou o desenvolvimento de um novo mtodo de escavao,

    utilizado pela primeira vez na construo do tnel de Lodano-Mosagno, em 1950. Estemtodo foi denominado NATM - New Austrian Tunnelling Method (Novo Mtodo Austraco

    de Abertura de Tneis) e oficializado em 1957. O NATM pode ser considerado como sendo

    uma filosofia de escavao pois, ao contrrio dos mtodos anteriores, no fixa qualquer

    seqncia para a abertura da cavidade ou instalao de suporte. Os princpios bsicos nos quais

    se baseia o NATM so denominadosprincpios modernos de tneis.

    2.1.4. PRINCPIOS MODERNOS DE TNEIS

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    Segundo a filosofia do NATM, o macio no mais visto apenas como elemento de carga,

    mas sim trabalha em conjunto com o sistema estrutural de suporte para a estabilizao da

    cavidade. O NATM fundamenta-se em trs princpios bsicos:

    O macio visto como principal elemento estrutural;

    A complementao, quando necessria, da estrutura de sustentao deve ser executada

    atravs da instalao de um sistema de suporte otimizado;

    Deve-se promover a instrumentao do tnel.

    2.1.4.1. MACIO COMO ELEMENTO ESTRUTURAL

    As principais caractersticas que regem este princpio so:

    Para ser o principal elemento estrutural, a qualidade do macio deve ser preservada;

    O macio deve-se deformar para redistribuir tenses, mobilizar o efeito arco, levando a uma

    carga de suporte menor;

    Esta deformao no pode ser excessiva, a ponto de fraturar o macio, podendo causar um

    acrscimo na carga de suporte;

    Em certos casos, pode-se optar por um processo de melhoria de qualidade do macio.

    Ao longo de todas as etapas de execuo do tnel deve-se visar a conservao ou, at mesmo

    a melhoria da qualidade do macio. A observao deste preceito promove uma reduo nas

    dimenses da estrutura de suporte com uma conseqente diminuio dos custos. Alm disso

    pode-se ressaltar um incremento da qualidade e da segurana da obra.

    A definio da geometria da seo do tnel de fundamental importncia manuteno da

    qualidade do macio. Para tal, deve-se observar a finalidade da estrutura bem como ascaractersticas geolgico-geotcnicas do macio circundante. A geometria da seo deve

    minimizar ou eliminar zonas de concentrao de tenses e, ainda, contribuir para a formao

    do efeito arco em uma regio mais prxima da periferia da cavidade. O efeito arco consiste na

    mobilizao da capacidade de carga do macio atravs de uma redistribuio de tenses

    atuantes na regio adjacente escavao pelo incremento das tenses cisalhantes. Tal

    redistribuio, denominada princpio da estabilizao pelo alvio controlado de tenses,

    conseqncia de deformaes resultantes da abertura da cavidade. No entanto, deve-se evitar

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    deformaes excessivas pois, com isto, ocorreria a perda da capacidade de auto-suporte do

    macio.

    Tambm, deve-se estipular, previamente, uma seqncia de escavao da face com base emexperincias anteriores. Atravs da anlise de dados obtidos da instrumentao do tnel, a

    seqncia poder ser otimizada, at que se alcance o nvel de deformaes desejado.

    Quando os deslocamentos durante a escavao forem julgados excessivos, pode-se proceder a

    melhoria da qualidade do macio. Esta obtida atravs de medidas de ordem estrutural, tais

    como enfilagem, injeo de nata de cimento ou resina, grauteamento etc.

    Os tirantes passivos (chumbadores) promovem uma melhoria na coeso do macio, sem causar

    quaisquer modificaes em seu ngulo de atrito. Sua capacidade somente mobilizada com as

    deformaes sofridas pelo macio circundante. Constituem-se em um sistema simples, barato e

    de fcil aplicao utilizados na estabilizao localizada no contorno da escavao. Devem ser

    instalados em espaamento regulares em direo radial.

    J o "jet grouting" foi originalmente concebido para o jateamento de aglutinantes qumicos.

    Contudo, passou a utilizar calda de cimento na estabilizao com o intuito de torn-lo

    competitivo em obras civis. resultante da ao dinmica de um ou mais jatos de calda de

    cimento providos de elevada velocidade (700 a 1000 km/h) que saem de pequenos bicos

    injetores (1,8 a 4 mm) dispostos na extremidade de uma composio de perfurao com

    movimento de rotao e/ou translao. A energia cintica dos jatos desagrega o macio devido

    ao impacto estabelecendo a mistura ntima deste com a calda de cimento.

    Esta tcnica de melhoria da qualidade do macio aplicvel a quaisquer tipos de solo e,quando utilizada corretamente cria um arco de solo-cimento de alta resistncia mecnica e

    impermevel atuando como pr-revestimento da cavidade antes mesmo de sua abertura.

    Possibilita ainda a minimizao das deformaes internas e na superfcie do terreno, fator de

    grande importncia nas obras realizadas em zonas urbanas densamente.

    O jet grouting pode ser aplicado de duas formas: (1) mtodo vertical, a partir da superfcie

    livre do terreno e (2) mtodo horizontal, aplicado atravs da face de escavao. Existem trs

    tcnicas bsicas de aplicao do jet grouting:

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    CCP (Cement Churning Pile): aplicao apenas de jatos de calda de cimento sobre o solo;

    JSG (Jumbo Special Grout): aplicao de jatos de calda de cimento envoltos externamente

    por ar comprimido possibilitando o aumento de alcance;

    CJG (Column Jet Grout): aplicao simultnea, atravs de bicos superiores, de jatos de

    gua envoltos externamente por ar comprimido com a finalidade de desagregar o solo e

    aplicao de jato de calda de cimento para preenchimento por meio de bicos inferiores.

    O pr-revestimento de solo-cimento trabalha como uma casca que acompanha

    aproximadamente o contorno da escavao absorvendo grande parcela da redistribuio de

    tenses antes da instalao do suporte definitivo do tnel e aumentando, significativamente a

    segurana na frente de escavao principalmente em solos colapsveis.

    2.1.4.2. SISTEMA DE SUPORTE

    A instalao do suporte se faz necessria apenas quando o macio incompetente, ou seja, no

    possui capacidade de auto-sustentao depois de efetuada a escavao, ou ainda quando certos

    nveis de deformaes no so tolerados pelas estruturas circunvizinhas. Trs princpios

    dominam o sistema de suporte: Tempo de instalao, que na verdade constitui o tempo de fechamento do anel;

    Rigidez e resistncia, tal que o sistema de suporte funcione como um cilindro de paredes

    finas, minimizando cortantes e momentos;

    Na necessidade de um suporte de alta capacidade, que teria paredes grossas, prefervel

    manter as paredes finas e reforar com tirantes.

    O suporte deve possuir rigidez para acompanhar as deformaes esperadas no macio. Caso omesmo possua uma alta rigidez, passa a restringir as distores devidas presso diferenciada

    no macio, impedindo assim, o alvio de tenses. Deve ainda apresentar resistncia suficiente

    para suprir as deficincias estruturais do macio, absorvendo esforos e evitando deformaes

    excessivas.

    Alm da rigidez e da resistncia, o sistema de suporte dever ser instalada num tempo timo,

    menor que o tempo de auto-sustentao, com o intuito de interceptar a curva caracterstica do

    macio num certo deslocamento admissvel.

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    2.1.4.3. INSTRUMENTAO

    A instrumentao visa monitorar o comportamento, tanto do macio, quanto do suportedurante todo o processo de execuo da obra, constituindo-se num elo de ligao entre o

    projeto e a execuo propriamente dita. Deve fornecer dados referentes a deformaes e ao

    estado de tenses do macio, de forma a verificar a eficcia do procedimento utilizado bem

    como a segurana da escavao. Pode ser instalada em diversos pontos, de acordo com as

    informaes necessrias, quais sejam: recalques superficiais e subsuperficiais, convergncia,

    carga no suporte etc.

    Caso o comportamento no seja o previsto podem-se alterar o projeto ou os procedimentos

    construtivos at que se obtenham resultados satisfatrios. Isto confere ao NATM um carter

    observacional.

    2.1.5. FASES DE PROJETO E CONSTRUO DE OBRAS SUBTERRNEAS

    As principais fases de uma obra subterrnea esto apresentadas na Figura 2.1 e o detalhamento

    das fases de projeto est apresentado na Figura 2.2.

    Geologia Local Investigaes Geolgicas

    Propriedades e Parmetros doMacio

    Programa de Ensaios deLaboratrio e Campo

    Experincia do Projetista Escolha do Tipo de Suporte

    Modelo Constitutivo Escolha do Modelo Estrutural

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    Previso de Projeto

    Conceito de Segurana Especificaes de Projeto

    Comparao entre Previso eEspecificao

    Experincia do Construtor Construo

    Monitorao

    Comparao entre Previso eComportamento In-Situ

    OK

    Figura 1.1. Fases de projeto e construo de obras subterrneas.

    Tenses In-Situ presso geosttica coeficiente Ko

    Tenses Induzidas geometria da abertura

    Curva Caracterstica doMacio

    deformabilidade (E,) resistncia (c, )

    Curva de Confinamento doSuporte

    deformabilidade (Es,s) resistncia (y)

    rea transversal e inrcia

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    Interao Macio-Suporte tempo de instalao dosuporte (uo)

    Figura 2.2. Fases de projeto.

    2.2. TENSES INDUZIDAS

    Uma vez determinadas as tenses in-situ, a construo da abertura vai causar uma

    redistribuio de tenses ao seu redor. Estas tenses induzidas so funo das tenses in-situ e

    da geometria (forma e dimenses) da prpria abertura. Neste caso, est sendo assumido que o

    macio em torno da abertura homogneo. Para geometrias simples e meios homogneos, astenses induzidas podem ser calculadas por expresses analticas.

    A expresso mais conhecida a Frmula de Kirsh (1898). Este modelo foi inicialmente

    concebido para a anlise de chapas metlicas providas de orifcios circulares (estado plano de

    tenses), sendo posteriormente modificada para aberturas subterrneas de geometria circular

    (estado plano de deformaes). So admitidas as seguintes hipteses:

    Macio homogneo e infinito; Tnel com seo transversal circular;

    Estado plano de deformaes;

    Tnel profundo.

    Entende-se por tnel profundo aquele onde a relao entre a profundidade, medida a partir de

    seu centro, e o raio da escavao seja igual ou superior a cinco (z/a 5). A formulao de

    Kirsh admite a nomenclatura indicada na Figura 2.3.

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    Figura 2.3. Modelo de Kirsh.

    Variando-se r e , pode-se calcular as tenses atuantes em qualquer ponto ao redor da

    abertura, que so dadas pelas seguintes expresses:

    ( ) ( ) ( ) ( )[ ] 2cos.431.11.1..21

    242

    +++= oor kkpz

    (2.4)

    ( ) ( ) ( ) ( )[ ]

    2cos.31.11.1..2

    1 42 +++= oo kkpz (2.5)

    ( ) ( )

    2sen.231.1..2

    1 24+= or kpz (2.6)

    Onde = a/r.

    Sabe-se que r e so tenses principais quando r for nulo. Pode-se verificar atravs da

    anlise das equaes propostas acima que r ser nulo nas seguintes situaes:

    sen2 = 0 = 0o ou = 90o ;

    Ko = 1;

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    1 - 34 + 22 = 0 = 1, ou seja a = r.

    Atravs de uma anlise mais detalhada, para Ko = 1 (r = 0), pode-se notar que:

    r= pz.(1-2)

    = pz.(1+ 2)

    Os valores de r e dependem apenas de p, z, a e r, independendo dos valores do ngulo

    (Figura 2.4). Observa-se tambm que r diminui do mesmo valor que aumenta na mesma

    proporo.

    Figura 2.4. Distribuio de tenses para ko igual a 1.

    Para Ko 1, r e r sempre tendem a zero na face de escavao do tnel, sem a presena de

    suporte. Tambm os valores das tenses sero diferentes cada valor de r e . Como as

    expresses de r e dependem de sen 2, os seus valores passam a ser repetidos aps 180o.

    Como tambm a funo seno simtrica de zero a 180o, em torno de 90o, basta calcular as

    tenses de zero a 90o.

    Existem outras formulaes analticas, tais como Neuber para elipses, Mindlin para tneis

    circulares rasos etc., mas todas para meios homogneos. Quando a geometria se torna

    complicada, mas o meio continua homogneo e elstico, possvel o uso do Mtodo dos

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    Elementos de Contorno (Programa EXAMINE). J para meios heterogneos, so necessrias

    ferramentas numricas mais poderosas como o Mtodo dos Elementos Finitos ou o Mtodo

    das Diferenas Finitas (Programa FLAC). Um novo mtodo, Elementos Distintos (Programa

    UDEC), parece ser uma boa soluo para meios fraturados, onde importante representar osdeslocamentos dos blocos de rocha em torno da abertura.

    2.3. DESLOCAMENTOS INDUZIDOS

    Existindo um tensor de tenses induzidas causado pela abertura, haver tambm por

    conseqncia deslocamentos induzidos. Para geometrias complexas, e/ou macios

    heterogneos e/ou leis constitutivas diferentes da elstica-linear, ser necessrio utilizar um dos

    programas citados no Item 2.2, respeitando sua respectivas capacidades. Para um tnel

    circular, onde valem as hipteses de Kirsh, os deslocamentos ao redor da abertura podem ser

    calculados, seguindo as seguintes etapas:

    Estabelecer as equaes gerais da Lei de Hooke para as deformaes radial, tangencial e

    longitudinal;

    Devirar estas equaes para o Estado Plano de Deformaes (deformao longitudinal igual

    a zero);

    Substituir as expresses de Kirsh para tenses radial e tangencial nas equaes de Hooke

    para deformaes radial e tangencial;

    Integrar estas equaes de deformaes ao longo do domnio do macio e obter as

    equaes dos deslocamentos radial e tangencial.

    Seguindo as etapas acima, o deslocamento radial de Kirsh dado por:

    ( ) ( ) ( )[ ]upz r

    Gk ko o=

    + + +

    41 1 4 4 2

    2 4 2 2 cos

    Restringindo a equao acima para = 1 (parede da escavao), obtem-se a equao do

    deslocamento radial na parede da abertura, chamado de convergncia:

    ( ) ( ) ( )1 1 3 4 cos2

    4

    a o o

    pz au k k

    G

    = + +

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    A convergncia para um tnel escavado num macio com ko = 1 dada por:

    2a

    po au

    G

    =

    2.4. CURVA CARACTERSTICA DO MACIO

    A Curva Caracterstica do Macio, tambm chamada de curva de reao do macio, a

    relao entre a presso de suporte fictcia necessria para garantir um certo nvel de

    deslocamento admissvel. Para macio elasto-linear, a CCM uma reta, ligando os pontos:

    ua = 0; ps = po

    ua = u; ps = 0

    Caso ko seja diferente de um, haver n CCMs, uma para cada valor de . No entanto, basta

    calcular duas CCMs, uma para o teto do tnel e outra para a lateral do tnel.

    Para casos reais de comportamento do macio, a CCM est representada esquematicamente

    pela curva 1 da Figura 2.5, que mostra a evoluo das tenses atuantes no macio em funo

    dos deslocamentos radiais ocorridos devido abertura da cavidade.

    Pode-se identificar que inicialmente o macio apresenta comportamento elstico passando, a

    partir do ponto C a acumular deformaes (comportamento plstico). Identifica-se tambm a

    desagregao do macio a partir do ponto F, ponto este onde atua a mnima tenso na periferia

    da cavidade.

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.14

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    Figura 2.5. Curva de Convergncia.

    2.5. SISTEMAS DE SUPORTE

    Os sistemas de suporte so instalados para garantir certos nveis de deslocamentos admissveis

    ou para prevenir a ruptura do macio. Para definir o comportamento do sistema de suporte

    deve-se obter a Curva de Confinamento do Suporte (CCS).

    2.5.1. CURVA DE CONFINAMENTO DO SUPORTE

    A CCS definida integralmente por dois parmetros (Figura 2.6):

    rigidez do suporte ks

    presso limite do suporte psmax.

    O deslocamento inicial uo depende do tempo de instalao do suporte, no sendo portanto uma

    caracterstica do suporte e sim dos processos construtivos e da reao do macio.

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    Figura 2.6. Curva de Confinamento do Suporte.

    A presso no suporte "ps" admitida radialmente simtrica. O suporte pode ser frgil, com

    perda de resistncia ps-pico ou dctil, sem perda de resistncia ps-pico. sempre

    conveniente usar algum tipo de reforo visando garantir a ductilidade do suporte.

    O princpio lgico projetar o suporte para minimizar momentos. As tenses geradas na seo

    transversal do suporte so dadas por:

    = (M.y / I) + (N / A)

    onde:

    N = carga axial

    M = momento fletor

    A = rea da seo transversal

    I = momento de inrcia

    2.5.2. TIPOS DE SUPORTE

    Os mtodos clssicos de abertura de tneis, por serem basicamente empricos, preocupavam-se

    em no permitir quaisquer deformaes do macio aps a escavao. Para tanto instalava-se,

    logo aps a face de trabalho, sistemas de escoramento. Apesar de extremamente pesados,

    muitas vezes rompiam-se em decorrncia da ao de cargas provenientes dos deslocamentos

    sofridos pelo macio. O sistema de escoramento ento utilizado era constitudo

    predominantemente de madeira, podendo trazer srios riscos segurana dos operrios da

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.16

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    obra como, por exemplo, na ocorrncia de incndios. O suporte definitivo, construdo em

    alvenaria de tijolos ou pedras, substitua, em etapas, o escoramento de madeira. Pela prpria

    caracterstica construtiva no havia um perfeito contato entre o macio e o suporte. Esta

    situao permitia um afrouxamento do terreno com conseqente acrscimo de tenses sobre osuporte que, freqentemente, entrava em colapso apesar de suas elevadas espessuras.

    Com a escavao, o estado de tenses atuantes no macio, inicialmente auto-equilibrado,

    altera-se, gerando deslocamentos do terreno no sentido de fechar a cavidade. Este processo

    pode originar um novo estado de auto-equilbrio, no sendo assim necessria a instalao de

    qualquer sistema de suporte. Caso no seja alcanada esta configurao, torna-se

    imprescindvel uma ao externa, caracterizada pela instalao de um sistema de suporte, a fim

    de contribuir para o equilbrio do tnel, evitando o seu colapso. De uma maneira geral pode-se

    dizer que o novo estado de equilbrio ocorre quando a resistncia compresso simples no

    confinada, c, do macio for maior que a tenso de compresso tangencial mxima, max, que

    se desenvolve no contorno da escavao sem suporte. Caso contrrio haver a necessidade da

    instalao de um sistema de suporte.

    A concepo do NATM sugere, como dito anteriormente, a utilizao de um suporte

    otimizado, que deve possuir uma determinada flexibilidade bem como ser instalado no

    momento oportuno. Atualmente, a grande preocupao a determinao do tempo ideal de

    instalao do suporte, uma vez que, caso a mobilizao de sua capacidade se d tardiamente,

    ultrapassando o tempo de auto-sustentao do macio, ocorrer a desagregao do terreno.

    Em se instalando o suporte precocemente, o alvio de tenses no macio ser reduzido e, com

    isso, haver necessidade de uma estrutura mais resistente e conseqentemente mais onerosa.

    Define-se como tempo de auto-sustentao do macio, stand-up time, o perodo entre aabertura da cavidade e a runa da mesma, sem que haja ao de qualquer agente externo. A

    avaliao do tipo de suporte deve considerar o tempo de auto-sustentao do macio, a

    resistncia requerida e o tempo de aplicao do suporte, ou seja, o tempo que o mesmo requer

    para adquirir a resistncia prevista.

    O suporte da cavidade pode ser executado em duas etapas; suporte de primeira e segunda

    fases. O suporte de primeira fase, primrio, imediato, temporrio ou inicial, tem funo deinduzir a formao do efeito arco, restabelecendo o equilbrio tridimensional preexistente. Para

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.17

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    tal, dever possuir rigidez suficiente para absorver esforos, evitando deslocamentos

    excessivos, e flexibilidade suficiente para acompanhar as deformaes impostas pelo macio.

    J o suporte de segunda fase, secundrio, permanente ou final, aplicado somente aps a

    estabilizao dos deslocamentos do macio, com funo esttica e de aumentar a segurana daobra.

    Os sistemas de suporte podem ser divididos em categorias segundo sua rea de aplicao.

    Assim sendo tem-se: suportes pontuais ou isolados (tirantes ativos), suportes lineares

    (cambotas e trelias metlicas, e enfilagens cravadas ou injetadas) e suportes superficiais ou

    contnuos (concreto projetado, concreto moldado in loco, suportes segmentados).

    2.5.2.1. SISTEMAS DE SUPORTE EM MACIOS ROCHOSOS

    Sistema de suporte em rocha um termo utilizado para descrever os processos e materiais

    utilizados para melhorar a estabilidade e manter a capacidade de sustentao do macio

    rochoso prximo superfcie de escavao (Brady & Brown, 1993). Os sistemas de suporte

    podem ser suporte ativo ou passivo. Na literatura de Mecnica das Rochas no existe consenso

    entre esta terminologia. Alguns consideram ativo o que est instalado no interior do macio

    rochoso e passivo o que est na superfcie da escavao. Outros consideram suporte ativo,

    aqueles que podem ser substitudos por foras aplicadas ao macio rochoso e passivo por

    aqueles que geram uma melhoria dos parmetros de resistncia do macio rochoso.

    No primeiro caso, o suporte ativo, constitudo por elementos de suporte que fazem parte

    integral do macio rochoso, os quais depois de serem fixados ao macio so tensionados

    oferecendo uma protenso ao macio. Neste grupo esto aqueles instalados no macio rochoso

    com injeo de calda de cimento ou similar, ligando o elemento resistente ao macio, emobilizados com os deslocamentos do prprio macio rochoso, respondendo a suas

    deformaes internas progressivas. Este tipo conhecido como reforo do macio. Ainda no

    primeiro caso, o suporte passivo constitudo por elementos externos ao macio rochoso

    sendo mobilizados com os deslocamentos do macio rochoso na superfcie da escavao

    (Brady & Brown, 1993 e Hoek & Wood, 1987).

    Este primeiro caso gera confuso na interao entre o suporte e o macio rochoso, assim

    surgiu uma segunda classificao (Indraratna & Kaiser, 1987) que define como suporte ativo

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.18

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    aquele que pode ser representado pela aplicao de uma fora distribuda ou de compresso

    contrria deformao ou deslocamento do macio (p.ex., cambotas metlicas, concreto

    projetado, concreto moldado in-loco, tirante protendido etc.) e suporte passivo aquele que

    atua de forma mais complexa, como o caso de cabos injetados que aplicam uma fora deconfinamento axial e mais uma fora distribuda cisalhante ao longo de seu comprimento.

    Sendo assim, o suporte passivo visa predominantemente a melhoria das condies de

    resistncia do macio rochoso (p.ex., chumbadores, cabos injetados etc.).

    Um dos objetivos do sistema de suporte preservar a resistncia do macio rochoso, para que

    ele consiga sua auto-sustentao. Assim, um sistema de suporte em rocha deve combinar as

    funes de reforo e de estabilidade da superfcie da escavao. Considerando outra

    classificao, sistemas de suporte interno ou externo superfcie da escavao subterrnea

    (Figura 2.7), pode-se observar que o suporte externo controla mais a instabilidade da

    superfcie da escavao e o suporte interno controla a instabilidade do macio ao redor da

    escavao.

    Figura 2.7. Sistemas de suporte para escavao em rocha: (a) Suporte externo instalado na

    superfcie da escavao; (b) Suporte interno instalado no interior do macio.

    Como foi definido o sistema de suporte conforme a aplicao de sua fora pode atuar de duasformas, passiva e ativa. Combinando esta classificao com a de suporte externo e interno tem-

    se que:

    Suporte Externo Ativo: Sistema de suporte que controla a instabilidade do macio na

    superfcie da escavao. So suportes que atuam contra a solicitao de instabilidade do

    macio, ou seja gerando tenses de equilbrio aos deslocamentos do macio, aportando

    um incremento na tenso de confinamento (3) do macio circundante, mudando assim

    trajetria e o nvel de tenses. Este tipo de suporte pode ser representado por uma foradistribuda na superfcie de escavao do macio. Neste tipo de suporte pode-se citar os

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.19

    (a) (b)

    SuporteExterno

    SuporteInterno

    MacioFraturado

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    seguintes: concreto projetado, concreto moldado in-loco, segmentos de concreto pr-

    moldado, segmentos de placa metlica e cambotas metlicas.

    Suporte Interno Passivo: Sistema de suporte que melhora a capacidade de auto-

    sustentao do macio rochoso. mobilizado com as deformaes internas do macio.Suporte linear e interno ao macio colado ao longo de seu comprimento ao macio. No

    oferece tenso de compresso alguma, e s trabalha a solicitao de instabilidade do

    macio interno, gerando tenso de equilbrio ponto a ponto ao longo de seu comprimento.

    Este tipo de suporte considerado um reforo ao macio j que sua funo pode ser

    representada como um acrscimo na coeso da envoltria de ruptura do macio ao redor

    do reforo, ou seja, ele melhora a resistncia do macio. Fazendo uma distribuio

    homognea desde reforo pode-se conseguir a melhoria de resistncia do macio ao redorda escavao. Neste tipo de suporte, tem-se os chumbadores que podem ser de barras de

    ao ou cabos com calda de cimento ou resina injetada etc.

    Suporte Interno Ativo: Sistema de suporte que controla a instabilidade da escavao no

    interior do macio. Suporte linear e interno ao macio ancorado em dois extremos

    pontuais, oferecendo ao macio uma tenso de compresso entre os dois pontos

    ancorados. Esta tenso maior que o estado de equilbrio, com o objetivo de melhorar a

    qualidade de engastamento da zona a compresso, oferecendo um confinamento tambm

    ao macio. Neste tipo pode-se citar os tirantes ancorados de forma mecnica, tirantes e

    cabos injetados com calda de cimento ou resina, mas todos protendidos.

    Nas Figuras 2.8 e 2.9, apresenta-se um esquema de representao das foras aplicadas pelos

    diferentes suportes ativos e o acrscimo na resistncia com os suportes passivos (reforos) no

    macio rochoso. Uma melhor visualizao desta classificao de sistemas de suporte

    apresentada na Figura 2.10.

    Figura 2.8. Representao das foras aplicadas pelos suportes: (a) Foras de suporte externoativo; (b) Fora de suporte interno ativo.

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.20

    (a)

    Forasdistribudas

    Foras decompresso

    (b)

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    Figura 2.9. rea reforada com suporte interno passivo ou reforo.

    Figura 2.10. Classificao dos sistemas de suporte considerando o modelo estrutural das foras

    e reforos aplicados ao macio rochoso.

    2.5.2.1. SISTEMAS DE SUPORTE INTERNOS OU SUPORTES PONTUAIS

    Tirantes so elementos estruturais de suporte que efetuam a transmisso de um esforo

    superficial no terreno para uma regio pr-determinada no macio. Assim como oschumbadores, os tirantes so geralmente utilizados em associao com outros tipos de suporte,

    tais como cambotas metlicas e/ou concreto projetado, principalmente quando estes no so

    capazes de garantir a no ocorrncia de deslocamentos excessivos.

    Os tirantes ativos so ancorados de forma mecnica ou com algum tipo de calda (cimento ou

    resina) e posteriormente protendidos, de forma a promover a melhoria da distribuio de

    tenses no macio, aplicando o carregamento da superfcie do tnel em uma regio situada a

    uma distncia superior quela entre a superfcie da escavao e o arco induzido. Estes so,

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.21

    rea reforada, comacrscimo na coeso

    SISTEMA DE SUPORTE

    trabalha como controle de instabilidade

    Suporte Externo Suporte Interno

    Ativo Ativo

    Gera foras de equilbrio econfinamentoRepresentado como foras

    distribudas na superfcie daescavao

    Gera acrscimo na resistncia domacioRepresentado como a melhoria

    da coeso do macio rochoso

    Gera tenso de compresso econfinamentoRepresentado como duas cargasde compresso opostas

    Passivo ou Reforo

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    normalmente, constitudos de cabea, tendo e trecho de ancoragem. A cabea composta por

    um parafuso de protenso e uma placa metlica de distribuio. O trecho de ancoragem a

    regio que promove a transmisso de esforos do tirante ao macio circundante atravs da

    injeo de calda de cimento, resina qumica ou de um sistema mecnico de expanso. O tendoconsiste de um elemento resistente, em geral uma barra de ao ou cabo, responsvel pela

    transmisso de carga entre a cabea e o trecho de ancoragem, sem transmitir esforos

    significativos ao macio circundante.

    No suporte interno passivo ou reforo, tem-se os chumbadores com injeo de calda de

    cimento, chumbadores cravados, chumbadores de expanso, cabos chumbados e cabos

    especiais chumbados. Estes tm um elemento longitudinal resistente que colocado no furo e

    injetado, com calda de cimento ou resina, dentro do macio. muito importante ressaltar que

    estes sistemas de suportes no so tensionados e s so mobilizados pelos deslocamentos do

    macio rochoso. Por este motivo devem ser instalados antes de ocorrerem grandes

    deslocamentos no macio rochoso.

    Os componentes tpicos de um sistema de tirante com ancoragem mecnica so: um cone que

    parafusado ao tirante, duas ou mais cunhas com rugosidades externas que vo aos lados do

    dimetro mnimo do cone e uma correia fina que segura as cunhas. Este sistema funciona da

    seguinte forma: o cone parafusado ao tendo, e ento introduzido ao furo at o fundo. Logo

    se aplica uma tenso rpida que faz com que o cone se desloque, e as cunhas se engastem na

    rocha. Assim, aproxima-se o dimetro maior ao lado das cunhas, as quais se expandem e

    ancoram no macio. O resto do tirante o prprio tendo de ao com um sistema de

    protenso na ponta ou p e na cabea, sendo a cabea composta por uma placa metlica para

    melhor distribuio das tenses.

    O sistema de ancoragem mecnica trabalha bem em rochas de boa qualidade, mais no em

    rochas muito fraturadas ou soltas. Neste caso pode-se colocar um cartucho de resina no fundo

    para melhorar a rea de ancoragem e evitar o escorregamento do tirante. Deve-se assegurar a

    conexo de todas as partes do tirante para aplicar uma fora de trao, que em geral de 70%

    da capacidade do tendo, para carregamentos importantes, deixando 30% como segurana

    para possveis deformaes posteriores do macio rochoso (Hoek et al., 1995). Pode-se

    tambm realizar ensaios sugeridos pela ISRM (Lardner & Littlejohn, 1985) para testar a

    capacidade de aderncia do sistema suporte-macio.

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.22

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    O principal problema nos tirantes, no caso de suportes permanentes, a corroso do tendo

    pelo fluxo de guas subterrneas, o que pode ser minimizado pela injeo de uma calda de

    cimento. Para conseguir uma boa injeo da calda, se desenvolveram tirantes com furo nocentro, tanto no tendo como na cabea e p de ancoragem. (Figura 2.11) Neste sistema, a

    calda injetada pelo furo central e o outro furo na cabea de ancoragem serve para sangrar o

    ar expulsado do interior. Para casos de tirantes verticais, no teto, o sistema muda e a calda

    injetada pelo lado da cabea e o furo central do tirante serve como sangrador de ar. Este tipo

    de tirante oferece uma injeo de tima qualidade, mas so mais caros.

    Figura 2.11. Sistema da ancoragem e cabea de tirante com furo central (modificado - Hoek et

    al., 1995).

    A funo da injeo de calda de cimento de proteo contra corroso e no tem funo de

    resistncia. Para conseguir bons resultados, a calda de cimento deve ser trabalhvel e

    bombeavl, com relao gua-cimento de 0,4 a 0,5, e preencher o espao anular ao redor do

    tirante. Tambm deve-se verificar o preenchimento total com a sada de calda pelo tubo de

    respirao (sangramento).

    Escorregamentos do sistema de ancoragem mecnico no s acontecem em rochas muito

    fraturadas ou brandas, mas tambm no caso de rochas intactas onde ocorrem vibraes

    provenientes de escavaes a fogo prximas ao local. Ento para escavaes que precisam de

    uma boa fixao do tirante deve-se usar cartuchos de resina e catalisador, que so introduzidos

    at o fundo do furo antes de introduzir o tendo. O tendo ao ser introduzido quebra os

    cartuchos e mistura os componentes. Aps poucos minutos a mistura endurece e a ancoragem

    fica pronta para aplicar a protenso ao tendo. Em casos muito importantes pode-se instalar

    cartuchos de resina ao longo de todo o comprimento do tendo. Constitui-se uma boa prtica

    verificar sempre a data de validade dos cartuchos de resina.

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.23

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    Lang (1961) demonstrou a efetividade de um sistema de tirantes num modelo no qual criou-se

    uma placa auto-sustentvel de rocha muito fraturada (cascalho anguloso de 30 mm de

    dimetro) e atirantada. O modelo media 1,2 x 1,2 m, com altura de 200 mm. Tirantes miniaturade 7 mm de dimetro e espaados 100 x 100 mm foram utilizados, conforme mostra a Figura

    2.12. Este modelo apresentou no somente auto-sustentao, mas tambm capacidade de

    carregamento considervel e foi aplicado no projeto de Snowy Mountain na Austrlia por

    Lang (1961).

    Figura 2.12. Modelo de Lang mostrando uma seo de cascalho atirantado (modificado - Hoek

    et al., 1995).

    As seguintes regras empricas, originalmente deduzidas durante o projeto de Snowy Mountain,

    oferecem uma ferramenta til para conferir o comprimento e o espaamento propostos paraum sistema de tirantes. O comprimento mnimo do tirante deve ser o maior de:

    Duas vezes o espaamento entre tirantes.

    Trs vezes a largura do bloco crtico e instvel, que a mdia do espaamento entre as

    descontinuidades do macio rochoso.

    Para vos menores a 6 m, o comprimento do tirante ser a metade do vo. Para vos de 18

    a 30 m, o comprimento do tirante ser de 1/4 do vo. Para escavaes maiores que 18 m

    de altura, os tirantes das paredes tero um comprimento mnimo de 1/5 da altura da parede.

    O espaamento mximo dos tirantes ser o menor de:

    A metade do comprimento do tirante;

    Uma vez e meia da largura do bloco crtico e instvel, que a mdia do espaamento entre

    as descontinuidades do macio rochoso.

    Quando reforo de malha de ao usado, espaamentos dos tirantes maiores que 2 m

    tornam difcil a fixao da malha (mas no impossvel).

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.24

    200 mm

    100 mm

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    O fundamento do sistema de tirantes se apresenta na Figura 2.13. As reas limitadas na figura

    representam a zona de compresso que gerada pelo tirante. Nesta zona os blocos individuais

    se mantm travados e ser criado o arco de auto-sustentao. Vale notar que os pequenostringulos formados entre as cabeas de ancoragem no esto travados e precisam de uma

    malha de ao ou concreto projetado na superfcie da escavao para sua sustentao.

    Os sistemas de suporte interno ao macio rochoso podem ser representados pelo acrscimo

    dos parmetros de resistncia do macio rochoso. Estes so chumbadores com injeo de

    calda de cimento ou resina, chumbadores cravados, chumbadores de expanso e cabos

    injetados. A principal diferena entre tirantes e chumbadores que estes ltimos no aplicam

    tenso ao macio. Eles utilizam a injeo de calda de cimento para colar o elemento resistente

    (barra de ao) ao macio rochoso e quando o macio rochoso desloca o reforo se ativa.

    Como este tipo de suporte depende dos deslocamentos do macio rochoso, ento sua

    instalao deve ocorrer antes de acontecer grandes movimentos, ou seja, logo aps a

    escavao e prximo frente de escavao.

    Figura 2.13. Modelo de Lang apresentando um arco de auto-sustentao (modificado - Hoek

    et al., 1995).

    A forma mais simples de chumbador o injetado com calda de cimento (Figura 2.14). A calda

    de cimento injetada por um tubo que desde o fundo do furo vai saindo conforme avana a

    injeo. A barra do chumbador logo introduzida com firmeza at a metade, aplicando uma

    pequena deflexo e ento se empurra at o final. Pode-se colocar uma placa metlica na cabea

    de ancoragem do chumbador, por segurana e evitar que possveis fragmentos se descolem doda cabea do chumbador. No caso de cavernas ou escavaes com muita atividade de pessoal

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.25

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    pode-se colocar cabos no lugar de barras de ao, os quais so mais flexveis s cargas por

    vibraes, causadas pela escavao a fogo e a grande atividade mineira.

    Figura 2.14. Chumbador com calda de cimento (modificado - Hoek & Brown, 1980).

    Um dos problemas foi sempre o desenvolvimento de sistemas de bombeamento de calda de

    cimento com baixa relao gua-cimento (em peso), mas que fosse a necessria para atingir a

    resistncia adequada. Felizmente, este problema j foi superado com maquinaria especializada.

    Um conjunto de ensaios feitos com cimento Portland, apresentado por Hyett et al. (1992),

    mostra que as propriedades da calda de cimento apresentam melhor comportamento para

    fatores gua-cimento de 0,35 a 0,4 do que para fatores maiores que 0,5. Para um fator gua-cimento menor que 0,35, tem-se uma menor trabalhabilidade da calda. Isto implica que o fator

    gua-cimento ideal varia entre 0,35 a 0,4.

    J o sistema de suporte com ancoragem por atrito foi desenvolvido por Scott em 1976 e 1983

    (Brady & Brown, 1994). formado por um tubo de ao de alta resistncia cortado

    longitudinalmente mais uma placa selante. instalado cravando-o num furo com dimetro

    ligeiramente menor. Uma fora radial de compresso gerada no tubo em forma de "C" peladiminuio de dimetro a que forado. Isto proporciona uma ancoragem por atrito ao longo

    do comprimento total do tubo. Para evitar problemas de corroso, tem-se desenvolvido tubos

    galvanizados e tubos de ao inoxidvel, mas este problema ainda no foi superado totalmente e

    portanto, no recomendado aplicar este tipo de suporte para obras permanentes em

    ambientes agressivos.

    Uma alternativa foi desenvolvida pela Atlas Copco (Figura 2.15), a qual pode atingir

    profundidades pouco maiores que 12 m para um dimetro aproximado de 42 mm. O tubo no

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.26

    calda decemento

    tendo

    placa da cabea de ancoragem

    Frente de ancoragem

  • 7/29/2019 Tuneis introducao

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    Universidade de BrasliaDepartamento de Engenharia Civil e Ambiental / FTGeotecnia

    processo de fabricao dobrado transversalmente de forma a diminuir seu dimetro para

    cerca de 25 a 28 mm. Com isto ele pode ser introduzido num furo de 32 a 39 mm de dimetro,

    sem necessidade de cravao. A fora de atrito ativada pela injeo de gua a alta presso

    (aproximadamente 30 MPa), que faz o tubo dobrado expandir at atingir um contato ntimocom as paredes do furo.

    Outro chumbador de expanso o EXL, que tem maior resistncia e o tubo feito de um

    material dctil, que permite grandes deslocamentos sem perda da capacidade de carregamento.

    Pode-se dizer que estes chumbadores so de rpida instalao e baixo custo. A corroso um

    problema presente neste tipo de chumbadores.

    Figura 2.15. Chumbadores de expanso (modificado - Hoek et al., 1980).

    Uma das necessidades que originou o desenvolvimento dos cabos chumbados foi a necessidade

    de reforo do corpo de minrio que se encontra em forma vertical para sua posterior

    explorao (este mtodo de escavao conhecido como "cut and fill"). Este sistema de

    suporte tambm pode ser usado para reforo das paredes laterais do corpo de minrio vertical,

    os quais so instalados por meio de condutos ou pequenos tneis, escavados no muito

    prximos s paredes laterais do minrio (Figura 2.16). Geralmente este sistema atinge

    capacidades maiores do que as obtidas com tirantes ou chumbadores tradicionais. O cabo

    formado por um conjunto de feixes de fibras de ao encruadas, as quais so injetadas com

    calda de cimento, depois de introduzidas ao furo.

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.27

    25 a 28 mm de dimetrotubo dobrado

    tubo expandido

    33 a 39 mm de dimetro

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    Na bibliografia poucos casos de ruptura de cabos so registrados, e a maior parte de rupturas

    pela descolagem entre a calda de cimento e o cabo (Kaiser et al., 1992). Com o objetivo de

    diminuir estas rupturas se desenvolveram vrios tipos de cunhas de ancoragem, para atuar com

    a calda de injeo, como ilustrado na Figura 2.17. Estes tipos de cabos especiais so injetadoscom calda de cimento e no so protendidos, podendo ser instalados antes da escavao do

    minrio para reforar o corpo de minrio junto ao processo de minerao. Em muitos casos se

    ancora 2 ou 3 m ao fundo do furo com calda de cimento e logo se aplica uma tenso ao cabo.

    Ento, completa-se o resto do furo com uma outra calda de cimento para proteo do cabo

    contra corroso.

    Figura 2.16. Exemplo de aplicao de cabos especiais chumbados (modificado - Hoek et al.,

    1995).

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.28

    TIPO SEO LONGITUDINAL SEO TRANSVERSAL

    Multi Tendes(Cliffor 1974)

    Multi Tendesengaiolados

    (Jirovec 1978)

    Feixe Unitrio(Hunt &Askew 1977)

    Feixe UnitrioCoberto

    (Dorsten et al. 1974)

    Ancoragem cilindrocunha de feixe

    (Matthews et al. 1983)

    Feixe com blocos deancoragem

    (Schmuck, 1979)

    Chumbador de altaresistncia ao cortante(Matthews et al. 1986)

    cabo ancorado simples

    cabo chumbado especial

    corpominrio

    pequenas escavaes

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    Figura 2.17. Alguns tipos de cabos chumbados (modificado - Hoek et al., 1995).

    Fazendo uma anlise do mecanismo de ancoragem dos cabos chumbados (Figura 2.18),

    verifica-se que quando o cabo puxado para fora da calda a interferncia do espiral, formado

    pelas fibras de ao encruadas com a calda de cimento injetada, origina um deslocamento radial

    ou dilatao da interface entre a calda e o cabo. Logo este deslocamento radial gera uma

    presso de confinamento ao cabo, que proporcional rigidez do concreto e do macio do

    redor do furo. A tenso cisalhante que resiste ao escorregamento do tirante de cabo funo

    da presso de confinamento e do coeficiente de atrito entre as fibras de cabo e a calda, logo

    quanto maior rigidez da calda e do macio ao redor, maior ser a resistncia cisalhante (Kaiser,

    1995). Modelos tericos deste comportamento do sistema rocha/calda/cabo foram

    desenvolvidos por Yazici & Kaiser em 1992, Kaiser et al. em 1992 e Hyett et al. em 1992,

    citados por Hoek et al. (1995).

    Figura 2.18. Foras e deslocamentos associados com a tenso de um cabo chumbado no

    macio rochoso (modificado - Hoek et al., 1995).

    Cabos especiais so utilizados quando existe reduo na tenso de confinamento e

    conseqentemente se tem perda da aderncia entre o cabo e a calda de cimento, como ocorre

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.29

    presso de confinamento

    deslocamento radial para fora

    resistncia ao cisalhamento

    presso de confinamento

    deslocamento radial

    fora de trao

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    com os cabos encruados simples. Neste caso, se desenvolveram cabos especiais em forma de

    gaiola, onde a calda de cimento preenche a estrutura interior do cabo e cria uma interferncia

    mecnica ao escorregamento, a qual depende muito pouco da tenso de confinamento. Em

    conseqncia, estes cabos especiais vo manter melhor a aderncia entre a calda de cimentocom o tirante. A Figura 2.17 ilustra alguns tipos destes cabos.

    Em casos de reduo da tenso de confinamento, por redistribuio das tenses, (originadas

    por escavaes prximas), esta reduo no afeta muito o funcionamento dos cabos

    chumbados (Hoek et al., 1995). Este acrscimo na aderncia entre a calda e o cabo muito

    aproveitado em casos onde no possvel colocar a cabea de ancoragem. Uma idia desta

    aplicao est na ilustrado na Figura 2.16, na qual as sees do cabo perto da parede lateral do

    minrio um cabo especial que no precisa da cabea de ancoragem e o resto cabo ancorado

    simples.

    2.5.2.2. SISTEMAS DE SUPORTE EXTERNOS

    Os sistemas de suporte externos so sempre ativos como, por exemplo, o concreto projetado,

    o concreto moldado in-loco, os segmentos de concreto pr-moldados, os segmentos de placa

    metlica e as cambotas metlicas. Todos estes so elementos estruturais, instalados ao redor da

    superfcie da escavao, oferecendo foras distribudas de confinamento ao macio

    circunvizinho escavao. Estes sistemas podem ser divididos em suportes lineares e suportes

    contnuos.

    Suportes lineares so aqueles que aplicam uma presso de suporte ao longo de sees

    transversais, espaadas longitudinalmente, tais como cambotas e trelias metlicas. As

    cambotas metlicas so utilizadas quando se precisa de elementos com alta capacidade decarregamento em tneis. Existe uma grande variedade de sees possveis neste tipo de

    suporte. Quando o macio fraturado, pode-se precisar de malha de ao entre cada cambota,

    ou placas de madeira ou ao (Brady & Brown, 1994). As cambotas metlicas so tambm

    muito utilizadas em tneis de minas escavadas em rochas brandas (p. ex., carvo), com intuito

    de acomodar grandes deformaes, o que feito com cambotas que tem elementos que

    permitem deslocar-se entre eles (Figura 2.19). So anis metlicos, normalmente constitudos

    por perfis de ao, dispostos de forma a cobrir o contorno da escavao dando suporte imediato

    ao macio enquanto o concreto projetado no adquire a resistncia esperada. As cambotas

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.30

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    metlicas possuem diversas qualidades que tornam seu campo de aplicaes bastante amplo.

    Podem ser ressaltadas suas boas propriedades, tais como elevada resistncia mecnica e a

    intemperismos, proporcionando uma melhora na rigidez estrutural do sistema de suporte como

    um todo.

    Figura 2.19. Cambota metlica: (a) seo transversal; (b) juno; (c) acessrios; (d)

    configurao antes e depois a instalao (modificado - Brady & Brown, 1994).

    As trelias metlicas diferem das anteriores por no serem constitudas por perfis laminados esim por elementos treliados. Desta forma, consomem menor quantidade de ao para alcanar

    a mesma resistncia de uma cambota simples. Alm disso, as trelias podem ser fabricadas no

    prprio canteiro de obras, apresentando maior facilidade de emendas e melhor aderncia entre

    a cambota e o concreto projetado.

    Suportes contnuos so aqueles que aplicam uma presso de suporte ao longo de todo o

    macio, tais como placas metlicas segmentadas, concreto moldado in loco e concreto

    projetado. Formam uma casca contnua na periferia da escavao sendo constitudos de

    segmentos pr-fabricados de ao, ferro ou concreto. A utilizao do ao e do ferro tem se

    reduzido devido a crescente utilizao dos segmentos de concreto pr-fabricados, parafusados

    ou no. A eficincia do sistema de suporte , dentre outros fatores, funo do perfeito contato

    entre macio e suporte. A garantia deste contato pode-se dar de duas formas; pela injeo de

    calda de cimento nos vazios decorrentes da sobrescavao, overbreak, ou atravs da expanso

    dos anis segmentados.

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.31

    (b)

    (d)

    (a)

    (c)

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    Existem algumas restries quanto a utilizao de segmentos pr-fabricados de concreto,

    como o elevado peso dos elementos, fragilidade a choques mecnicos, necessidade de

    maquinrio pesado, dentre outros. A facilidade de transporte, elevada resistncia mecnica, a

    estanqueidade gua e o baixo custo podem ser citados como algumas vantagens do empregode suportes segmentados na estabilizao de obras subterrneas.

    Concreto moldado in loco tido como o sistema de suporte mais tradicional, confivel e de

    maior durabilidade. No entanto, por necessitar da disponibilidade de um longo espao de

    tempo para montagem de sua forma e armao alm de consumir elevado volume de concreto,

    tem sido utilizado com menor freqncia. A utilizao deste sistema de suporte

    imprescindvel em tneis onde h necessidade de uma perfeita obedincia forma geomtrica

    preestabelecida bem como uma superfcie interna lisa. Devido ao moderno conceito de

    interao macio suporte, so exigidas pequenas espessuras de paredes, o que torna a

    utilizao do concreto moldado in loco invivel, exceto como suporte secundrio.

    Rabcewicz (1969), alm de ser um dos que desenvolveu o mtodo de escavao de tneis

    NATM, tambm foi um dos responsveis pela introduo do uso do concreto projetado como

    suporte de tneis. Nos ltimos anos a indstria mineira foi a maior usuria do concreto

    projetado como suporte. As condies de trabalho numa escavao profunda so difceis, com

    problemas de espao e acesso, o que faz requerer inovao na aplicao do concreto

    projetado.

    O uso do concreto projetado amplo, pode-se aplicar em rampas de acesso, shafts, cavernas,

    tambm como reabilitao de tirantes, malhas de ao etc. Nos ltimos anos a incluso de

    reforo com fibra de ao no concreto projetado, um fator que contribuiu para sua maior

    utilizao, desde que reduz o tempo de instalao da malha de ao e o ndice de reflexo.Estudos de observaes recentes sugerem que o concreto projetado oferece suporte efetivo

    para situaes de iminente exploso de rocha (rockburst), segundo McCreath & Kaiser (1992).

    Concreto projetado o nome genrico para o mistura formada por cimento, areia, agregado

    fino e gua, que aplicada pneumaticamente, e compactada dinamicamente a grandes

    velocidades. Ele pode ser projetado a seco ou mido, ou ainda um caso intermedirio (semi-

    mido). No concreto projetado a seco, os componentes se misturam e logo se aplica um pr-

    umedecimento para reduzir o p. Esta mistura colocada na mquina de bombeamento a seco

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.32

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    com agitao contnua e ar sob presso introduzido pelo cilindro rotatrio para transportar o

    material em forma contnua atravs da mangueira de expulso. A gua introduzida mistura

    apenas no bico injetor. Gunita foi o nome apropriado dado ao concreto projetado a seco a

    partir de 1960, mas que entrou em desuso pelo termo mais genrico de concreto projetado. NaFigura 2.20 pode-se apreciar em forma resumida como funciona o sistema de concreto

    projetado a seco. Este sistema a seco apresenta o problema de gerao de p que prejudicial

    a sade, mas este problema pode ser reduzido umedecendo ligeiramente a mistura antes de sua

    aplicao.

    Figura 2.20. Sistema simplificado de projeo a seco (modificado - Mahar et al., 1975).

    No caso do concreto projetado mido, os componentes so misturados com gua num

    caminho misturador, para depois ser jogado no sistema de bombeamento hidrulico, que

    bombeia a mistura at o bico injetor, onde se introduz ar para projetar o material sobre a

    superfcie da rocha (Figura 2.21).

    Ambos os processos de projeo do resultados similares, mas em minerao mais utilizado

    o processo a seco pela facilidade do transporte do equipamento que mais compacto do que ocaminho misturador necessrio para o concreto projetado mido. Tambm em casos de

    interrupo involuntria dos trabalhos, o risco de perder as mangueiras por endurecimento do

    concreto maior no processo de projeo mido. Por outro lado o concreto projetado mido

    oferece alta produo na sua aplicao, em lugares com acesso apropriado para o

    equipamento, alm de melhores recordes em termos de segurana para a sade. A deciso

    sobre a escolha do processo de projeo tomada na obra, dependendo das necessidades e da

    disponibilidade das instalaes (claridade, ventilao, espao etc.).

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.33

    mistura pr-umedecida

    ar a compresso

    injeo de gua

    ar comprimido

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    Figura 2.21. Sistema de aplicao de concreto projetado mido (modificado - Mahar et al.

    1975).

    Em resumo, em funo do ponto de mistura entre os componentes slidos do concreto e a

    gua identificam-se trs mtodos de projeo do concreto:

    Via mida: neste processo a mistura da gua aos demais componentes do concreto

    realizada antes do incio do procedimento de bombeamento. Com isso tem-se ndices de

    reflexo reduzidos e uma melhoria das condies de operao. Contudo algumas restries

    aplicao deste mtodo se tornam necessrias no que tange ao tempo de pega. Este no

    deve ser excessivamente reduzido para evitar o endurecimento do concreto no interior doequipamento de projeo;

    Via seca: o processo, atualmente, mais utilizado no Brasil devido, entre outros motivos,

    facilidade de projeo descontnua. Neste, a gua e os demais componentes do concreto so

    misturados somente nas proximidades da superfcie de escavao (bico de projeo). O

    elevado ndice de reflexo, decorrente do processo, incrementa o nvel de partculas slidas

    em suspenso no ar. A mistura apresenta-se heterognea e o consumo de ar comprimido

    elevado.

    Via semi-mida: neste procedimento, a mistura se d no interior do equipamento de

    projeo, originando uma mistura homognea, plstica e melhor hidratada em comparao

    quela obtida por via seca.

    O concreto projetado tem sido cada vez mais utilizado em virtude da evoluo dos processos

    de manufatura e aplicao. Alm disso, suas caractersticas se adaptam perfeitamente

    filosofia do NATM, pois consiste em um sistema de suporte que promove boa interao entre

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.34

    aplicao de vcuo para restituir o estadonormal do tubo de bombeamento ar acelerado

    ingresso do ar

    rolos

    tubo de bombeamento

    rolos

    suco

    paletas rotatrias

    mistura mida

    sada damangueira

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    o macio recm escavado e o mesmo, preenchendo os vazios decorrentes da sobrescavao.

    As caractersticas que tornam adequado o concreto projetado como elemento estabilizante so:

    Tempo de endurecimento controlvel atravs da utilizao de aditivos;

    Baixo ndice de reflexo diminuindo perdas;

    Perfeita aderncia ao macio recm escavado;

    Alta resistncia a baixas idades;

    Flexibilidade adequada s deformaes impostas pelo macio;

    Estanqueidade;

    Durabilidade.

    Outras vantagens da utilizao do concreto projetado como elemento estrutural de suporte se

    deve sua grande versatilidade. Comparado aos mtodos clssicos, dispensa qualquer tipo de

    escoramento alm de prescindir de formas e armaduras. Pode ainda ser utilizado em associao

    a outros tipos de elementos estabilizadores que facilitem ou melhorem sua aplicao. O

    desenvolvimento constante dos mtodos de projeo e da tecnologia do concreto vem

    possibilitando a utilizao de estruturas de concreto projetado cada vez mais resistentes e

    esbeltas. Como se sabe, os esforos predominantes em uma estrutura de suporte com

    configurao geomtrica aproximadamente circular so de compresso, conseqentemente,

    alerta-se que precaues devem ser tomadas a fim de evitar possveis instabilidades devido

    flambagem.

    Mais recentemente duas tecnologias importantes foram adicionadas ao concreto projetado, a

    micro slica como material aditivo cimentante e as fibras de ao como material de reforo.

    Micro slica um produto decorrente do processo de fabricao do slico-metlico, onde

    gerado um gs (SiO) que ao sair do forno eltrico oxida-se formando SiO2, que ento captado por filtros e devidamente estocado em silos para sua comercializao. normalmente

    utilizado em concretos de alta resistncia (SILIMIX, 1995). O resultado um concreto muito

    resistente, impermevel e durvel. Outros benefcios so a reduo do ndice de reflexo do

    concreto projetado, o aumento da coeso tornando o concreto mais aderente, a melhoria da

    resistncia a flexo e de pega com o macio rochoso. Tudo isto facilita a projeo de camadas

    com espessuras maiores que 20 cm.

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.35

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    J o reforo com fibras de ao foi introduzido no ano 1970, tendo conseguido muita aceitao

    at substituir o reforo de malha de ao tradicional. A funo maior do reforo com fibra de

    ao oferecer ao concreto projetado maior ductilidade e menor possibilidade de ruptura frgil.

    A distribuio no uniforme das deformaes de grande magnitude, pode sobrecarregar e levara ruptura o sistema de suporte, a menos que o sistema tenha suficiente ductilidade para

    acomodar as deformaes e redistribuir o carregamento uniformemente. Tambm reduz o

    ndice de reflexo. A Figura 2.22 mostra alguns tipos de fibras de ao.

    Figura 2.22. Tipos de fibras de ao e suas dimenses em mm (modificado - Hoek et al., 1995).

    J a tradicional malha de ao instalada em casos de sustentao de blocos superficiais que

    esto prximos a se soltar, portanto este sistema mais utilizado para segurana dos

    trabalhadores. A malha de ao utilizada junto com o sistema de auto-sustentao de Lang,

    (1961), onde os blocos que ficam entre os tirantes e na superfcie da escavao esto sem

    confinamento e, portanto, a malha instalada entre os tirantes sustenta os blocos superficiais.

    O concreto projetado tambm pode ser reforado com malha de ao. Este reforo de malha deao tem aplicao em casos onde o macio muito fraturado e onde a aderncia do concreto

    com a fibra de ao muito pobre. Em caso de instabilidade em rocha muito fraturada, muito

    utilizada a malha de ao eletro-soldada com concreto projetado, como proteo da malha de

    ao. Em minerao, onde se tem difcil acesso e condies de trabalho, prefere-se concreto

    projetado com reforo de fibras de ao, mas a malha de ao apresenta-se como reforo mais

    real do que com a fibra de ao, em macios rochosos muito fraturados.

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.36

    1.12

    0.25

    2.75

    0.50

    1.35

    0.50

    0.53

    0.45

    d = 0.528

    25

    32.5

    32.5

    25.5

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    A qualidade do concreto projetado depende tambm do processo de aplicao, isto inclui

    preparao da mistura, preparao da superfcie, tcnica de colocao, claridade, ventilao,

    comunicao e um adequado treinamento dos tcnicos. Como primeiro passo, limpa-se a

    superfcie de rocha a ser concretada com ajuda de jato de gua, para remover rocha solta e p.O umedecimento da rocha favorece a aderncia da primeira camada de concreto projetado.

    Normalmente o tcnico inicia na parte baixa das paredes e vai ascendendo, fazendo pequenos

    crculos. importante que o material seja projetado de forma contnua e consistente (bem

    misturado) para evitar altos ndices de reflexo. O ar aplicado deve ter consistncia e

    capacidade suficiente para assegurar o fluxo contnuo e alta velocidade do concreto que

    projetado contra o macio rochoso. Outro ponto muito importante o treinamento do pessoal

    assim como de claridade, ventilao e comunicao apropriada entre os tcnicos. Com a

    finalidade de melhorar as condies de trabalho do pessoal da frente de projeo pode-se

    recorrer aos robs, mediante controle remoto.

    2.5.2.3. OUTROS TIPOS DE SUPORTE

    As telas metlicas funcionam como elemento auxiliar de suporte sendo utilizadas, geralmente,

    em associao com concreto projetado ou ainda associadas s cambotas metlicas e concreto

    projetado simultaneamente. Sua principal funo reduzir a perda de concreto projetado

    devida reflexo. Alm disso, funciona como armadura, aumentando a resistncia trao e a

    ductilidade da camada de concreto projetado. Outra finalidade a estabilizao localizada do

    macio, evitando queda de blocos.

    Enfilagens cravadas ou injetadas so elementos auxiliares de suporte utilizados em conjunto

    com outros tipos de suporte, tendo a funo de garantir a estabilidade da abbada da cavidade

    enquanto o suporte ainda no est ativado. So instalados longitudinalmente na regio da faceda escavao, com pequena inclinao em relao horizontal.

    As enfilagens cravadas so, geralmente, constitudas de peas metlicas curtas aplicadas na

    periferia da cavidade. So utilizadas em macios que apresentam tempo de auto-sustentao

    compatvel com o processo construtivo.

    J as enfilagens injetadas, geralmente constitudas de calda de cimento, so aplicadas em

    macios onde o solo muito instvel ou deformvel. Nesta situao, as enfilagem tm a funo

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.37

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    de colaborar com a formao de um arco longitudinal escavao viabilizando e tornando

    mais seguros os trabalhos na frente de escavao.

    2.5.3. RIGIDEZ E CARGA LIMITE DO SISTEMA DE SUPORTE

    Para o clculo da CCS, so necessrias a rigidez e a carga limite do suporte, as quais

    dependem dos parmetros de deformabilidade e resistncia e da seo transversal do suporte.

    A seguir so apresentadas as formulaes propostas por Daemen (Hoek & Brown, 1980).

    2.5.3.1. SUPORTE CONTNUO

    Esta expresso se aplica para qualquer tipo de suporte contnuo circular, como por exemplo

    concreto moldado in-loco ou concreto projetado:

    ( )

    ( ) ( ) ( )[ ]k

    E a t t

    a a ts

    c

    s s

    =

    + +

    . .

    . .

    2

    1 1 22 2

    ( )psa t

    amax

    y=

    21

    2

    2.

    Vale observar, que as propriedades do suporte so assumidas lineares. Isto pode constituir um

    problema especialmente para o concreto projetado.

    O concreto frgil, mas com reforo pode tornar-se dctil (malhas de ao em concreto

    projetado), assim para aumentar a ductilidade, no necessrio trocar o material, mas sim,combinar corretamente a geometria, o material e o reforo.

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.38

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    2.5.3.2. SUPORTES TRANSVERSAIS

    As expresses foram derivadas para cambotas de ao com bero de madeira:

    ( )12

    12

    3

    2 2k

    s a

    E A

    s a

    E A

    s t

    E ws

    l

    s s

    l

    s s

    l

    B

    = ++

    +

    .

    .

    .

    .

    sen .cos

    sen

    . .

    .

    ( )

    ++=

    cos1.

    2

    1.3..2

    ..3max

    XtaAXIas

    IAps

    ssl

    yss

    2.5.3.3. SUPORTES LINEARES

    As expresses so vlidas para tirantes:

    1 4

    2k

    s s

    a

    l

    d EQ

    s

    l t

    s

    = +

    .

    . .

    psT

    s smax

    y

    l t

    =.

    2.5.4. MTODOS EMPRICOS DE PROJETO

    Mtodos de projeto do sistema de suporte podem ser divididos em trs tipos: empricos,

    analticos e numricos. Neste item sero enfocados os mtodos empricos, com suas aplicaes

    e limitaes. Estes mtodos so caracterizados por depender fortemente da experincia onde

    foram calibrados e da concordncia do projeto atual com os casos registrados. Alguns

    mtodos empricos tambm tm um componente terico ou fsico, que tenta relacionar as leis

    de comportamento do macio com os dados da experincia.

    2.5.4.1. MTODO PELO SISTEMA DE CLASSIFICAO RMR

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.39

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    Bieniawski (1989) publicou na sua classificao uma srie de guias de escolha do suporte para

    tneis em rocha conforme o valor de RMR (Tabela 2.1), a qual foi desenvolvida para tneis

    cuja geometria era em forma de ferradura, escavados a fogo, num macio sujeito a tenso

    vertical maior a 25 MPa (profundidade aproximada de 900 m).

    Como exemplo, para um caso de RMR = 59 tem-se, segundo a Tabela 2.1, que o tnel deve

    ser escavado em frentes parciais de escavao, com avano de 1,5 a 3 m na calota. O suporte

    deve ser colocado aps cada ciclo de escavao a fogo e instalado at uma distancia mxima

    de 10 m da frente de escavao. Tirantes de 4 m de comprimento, 20 mm de dimetro,

    totalmente protegidos com calda de cimento e espaados de 1,5 a 2,0 m, so recomendados no

    teto e paredes. Tambm recomendada uma camada de concreto projetado, reforado com

    malha de ao, com espessura de 50 a 100 mm no teto e 30 mm nas paredes.

    Recomenda-se considerar a variao dos resultados para poder instalar suportes mais

    econmicos em caso que o macio apresente bom desempenho no trajeto da escavao ou

    para casos de suporte temporrio. prudente levar em conta a mudana drstica das tenses

    no macio ao redor da escavao, induzidas por escavaes futuras, prximas rea de

    interesse (Hoek et al., 1995). A Tabela 2.1 no considera a aplicao de concreto projetado

    reforado com fibra de ao, que na atualidade muito usado.

    2.5.4.2. MTODO PELO SISTEMA DE QUALIDADE Q

    Com o objetivo de encontrar uma relao entre o ndice Q, a estabilidade e o sistema de

    suporte requerido, Barton et al. (1974) definiu um parmetro adicional que chamou de

    "Dimenso Equivalente" (De) da escavao. Este valor calculado dividindo a dimenso daescavao, (o dimetro ou a altura das paredes da escavao) pelo ESR, que significa ndice

    de Suporte do tipo de Escavao (ESR Excavation Suport Ratio):

    De = [Dimenso da escavao, dimetro ou altura (m)] / (ESR)

    O valor de ESR est relacionado com o uso da escavao e o grau de segurana necessrio no

    sistema de suporte para manter a estabilidade. Barton (1974) sugeriu os seguintes valores de

    ESR, conforme mostrados na Tabela 2.2.

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.40

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    A dimenso equivalente, De, plotada junto com o valor de Q, utilizada para determinar o

    nmero das categorias de suporte necessrias (Barton et al., 1974), o que foi ultimamente

    atualizado por Grimstad e Barton em 1993 (Barton, 1995), que reflete o uso crescente doreforo de fibra de ao em concreto projetado como suporte para escavaes subterrneas. A

    Figura 2.23 mostra esta relao. Como pode ser visto, para um valor de De de 9,4 m e um

    ndice Q de 4,5 tem-se uma categoria da escavao de 4, que requer um sistema de tirantes

    espaados em 2,3 m e concreto projetado com espessura de 40 a 50 mm.

    O comprimento L do tirante pode ser estimado pelo vo da escavao B e o ndice de Suporte

    da Escavao (ESR), como proposto por Barton et al. (1974):

    LB

    ESR=

    +2 0 15,

    O mximo vo auto-sustentvel estimado por:

    Lmax = 2ESRQ0.4

    Baseados em casos registrados, Grimstad & Barton (1993), sugerem uma relao entre o valor

    de Q e a presso permanente de suporte no teto (Proof) como:

    PJnQ

    Jrroof=

    2

    3

    1 3

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    Tabela 2.1. Guia para escavao e suporte para tneis com 10 m de largura de acordo com o

    sistema RMR (modificado Bieniawski, 1989).

    Tipo de MacioRochoso

    Mtodo de escavao Tirantes (dimetrode 20 mm, comcalda de concreto)

    Concreto projetado Cambotasmetlicas

    I Rocha excelenteRMR: 81-100

    Face completaAvano de 3 m

    Geralmente no precisa suporte exceto tirantes localizadoscurtos

    II Rocha boaRMR: 61-80

    Face completaAvano de 1 a 1,5 msuporte pronto a 20m da face.

    Tiranteslocalizados no tetode 3 m decomprimento eespaados 2,5 m,malha de aoopcional.

    Espessura de 50mm no teto, ondenecessitar.

    Nulo

    III Rocha mdiaRMR: 41-60

    Frente de escavaoem bancadas (berma)1,5 a 3 m de avanona calota.Instalao do suporteaps cada escavaoa fogoSuporte pronto a 10m da face

    Tirantes espaados1,5 a 2 m, de 4 mde comprimento,no teto e paredes,com malha de aono teto.

    Espessura de 50 a100 mm no teto e30 mm nas

    paredes.

    Nulo

    IV MaciofraturadoRMR: 21-41

    Frente de escavaesem camadasAvano da calota de1 a 1,5 m.Instalao do suporte

    paralelo com a

    escavao, a 10 m dafrente.

    Tirantes espaados1 a 1,5 m, de 4 a 5m de comprimento,teto e paredes, commalha de ao.

    Espessura de 100 a150 mm no teto e100 mm nas

    paredes.

    Cambotasmetlicas leves amdias, espaadasde 1,5 m, onde

    precisar.

    V Macio muitofraturadoRMR: < 20

    Mltiplas frentesAvano da calota de0,5 a 1,5 m.Instalao do suporte

    paralelo com aescavao. Concreto

    projetado logo quepossvel aps aescavao fogo.

    Tirantes espaados1 a 1,5 m, de 5 a 6m de comprimentoem teto e paredescom malha de ao,atirantadoinvertido.

    Espessura de 150 a200 mm no teto e150 mm nas

    paredes, e 50 mmna face.

    Cambotasmetlicas mdias a

    pesadas, espaadasde 0,75 m, comaduelas de ao.Arco invertido.

    Mecnica e Engenharia de Rochas Apostila G.AP-AA002/03 2.42

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    Tabela 2.2. ndice de suporte de escavao (ESR) apropriado para vrios tipos de escavaes

    subterrneas. (modificado - Barton 1974).

    TIPO DE ESCAVAO ESR Casos

    A Escavaes em minas temporrias 3-5 2B Tneis verticais (poos):seo circularseo retangular ou quadrada

    2,52,0

    C Escavaes em minas permanentes, Tneis com fluxo de gua(excluindo Tneis de aduo a alta presso), Tneis piloto, Tneis deligao de poos, e frentes de avano de grande porte.

    1,6 83

    D Cavernas de estocagem, plantas de tratamento de gua, pequenasauto-estrada e linhas ferrovirias subterrneas, acesso a cavernasconfinadas, Tneis de acesso em geral

    1,31 25

    E Usinas hidreltricas, grandes auto pistas e linhas ferrovirias

    subterrneas, cavernas de segurana, portais, intersees.

    1,0 73

    F Estaes nucleares subterrneas, estaes ferrovirias subterrneas,fbricas.

    0,8 2

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    Excepc.ruim

    Extrem..ruim

    Muitoruim

    Ruim Pobre Boa Muitoboa

    Extre.boa

    Exc.boa

    1 10

    100

    50

    20

    10

    5

    2

    1

    0,001 0,004 0,01 0,04 0,01 0,4 4 40 100 400 1000

    20

    10

    7

    5

    3

    2,4

    1,5

    (9) (8) (7) (6) (5) (4) (3) (2) (1)

    espaamen

    todetiran

    tesemare

    acomconc

    retoproje

    tado

    1,0 m

    2,1 m

    1,7 m

    1,3 m

    1,5 m

    1,2 m

    2,3 m 2,5 m

    1,0 m1,3 m

    1,5 m

    2,0 m

    3,0 m

    4,0 m

    espaa

    mentode

    tirant

    esema

    reasem

    concr

    etoproje

    tado

    250m

    m

    120mm

    150mm

    90mm

    50mm

    40mm

    CATEGORIAS DE SUPORTE

    (1) Sem suporte (6) Concreto projetado reforado com fibrade ao, de espessura de 90-120 mm, ecom tirantes

    (2) Tirantes curtos localizados

    (3) Sistema de tirantes (7) Concreto projetado reforado com fibra

    de ao, de espessura de 120-150 mm, ecom tirantes(4) Sistema de tirantes com concretoprojetado de 40-100 mm(8) Concreto projetado reforado com fibra

    de ao, de espessura de > 150 mm,reforado com arcos de concreto etirantes

    (5) Concreto projetado reforado comfibra de ao, de espessura de 50-90mm, e com tirantes

    (9) Estrutura de concreto

    Figura 2.23 Sistema Q para classificao dos macios rochosos e escolha do tipo de suporte

    (modificado - Grimstad & Barton, 1993).