Equipamentos que fazem o túnel aparecer

Com a construção em andamento de aproximadamente 11 km da linha 5 do Metrô de São Paulo, a construção da linha 4 do Metrô do Rio de Janeiro e outros projetos de envergadura de construção subterrânea como o Túnel da Grota Funda, também no Rio, além dos grandes projetos de mineração subterrânea, principalmente no Norte e em Minas Gerais, o Brasil vive hoje um momento promissor para os construtores de túneis. Com as tecnologias mundiais cada vez mais avançadas para esse tipo de obra, resta saber se os projetos brasileiros estão sendo realizados com a utilização dessas soluções existentes, capazes de ampliar a produtividade na casa das centenas em alguns casos. Nesta reportagem, especialistas apresentam diversas soluções, apontando quais são as máquinas mais indicadas para a utilização em cada fase da obra de túnel ou de mineração subterrânea.

Antes de tudo, é preciso esclarecer que esta edição trata exclusivamente de obras de túneis executadas por métodos conhecidos como não mecanizados, ou seja, pelo método NATM, sigla em inglês para Novo Método Austríaco para Abertura de Túneis, ou pelo método Drill and Blast (veja quadro explicativo sobre as tecnologias na página 18). Como mecanizados, entende-se aqueles realizados por equipamento único, como shield.

“Nesse sentido, a primeira fase de execução de obra é abrir a boca do túnel”, dá o tom da conversa Orlando Beck, diretor da Obeck. A empresa brasileira representa diversos fabricantes internacionais que fornecem tecnologia dedicada a obras subterrâneas. Orlando conta que essa fase da obra exige primeiramente a consolidação das paredes em volta da área de abertura do túnel, uma tarefa que pode ser realizada com diferentes técnicas, mas ele destaca a enfilagem com jet grouting horizontal e o atirantamento. “Esse último consiste na perfuração de uma malha e instalação do chumbadores ou tirantes, como são mais conhecidos”, adianta ele.

Esse processo, atualmente, já pode ser realizado por um só tipo de equipamento, dotado de componentes capazes de perfurar e instalar o tirante. Há diversos fabricantes dessas máquinas e a Beretta, citada pelo especialista e cuja comercialização no Brasil é feita pela sua empresa, oferece modelos que vão de 9 hp a 200 hp. “As menores são utilizadas em áreas onde não é possível a aplicação de máquinas de grande porte”, diz ele.

A Atlas Copco também fornece máquina especifica para essa fase de obra, segundo Guilherme Paiva, engenheiro de produto de equipamentos para escavação de rocha subterrânea da fabricante. Trata-se do equipamento para atirantamento denominado Boltec. Segundo ele, a máquina, além de realizar a perfuração, utiliza um sistema automático de injeção dos cartuchos de resina, insere o tirante e dá o torque necessário para o atirantamento. “Na hora da perfuração, ele funciona como um jumbo de um braço, com chassi sobre rodas, articulado etc.”, diz ele. “A diferença é que o arranjo da fixação do braço na lança foi desenvolvido de forma que os furos sejam feitos na posição radial e não na frontal, como ocorre nos jumbos”, complementa. Depois de perfurar, a unidade de atirantamento mecanizada presente na lança faz a injeção dos cartuchos de resina para então colocar o tirante e aplicar o torque. “A grande vantagem em utilizar essa máquina é que não se perde o alinhamento do furo, pois a máquina possui uma única lança que já está posicionada no furo e um sistema de indexação do dispositivo de injeção dos cartuchos e atirantamento, tecnologia essa que evita a ocorrência de estourar os cartuchos na boca do furo durante o processo de injeção”, explica Paiva.

Escavação

A abertura do túnel dá lugar à fase de escavação, onde novamente, várias tecnologias têm despontado no mercado. Em diversas operações, há a utilização de escavadeiras convencionais, da Linha Amarela, ou até mesmo de retroescavadeiras ou miniescavadeiras para túneis de menor diâmetro e comprimento. “Porém, para obras de maior extensão, essas máquinas podem se revelar improdutivas e é nessa hora que se tornam necessários os equipamentos especialmente desenvolvidos para mecanizar o processo”, informa Orlando Beck.

Para começar, pode-se citar uma situação delicada, na qual é preciso realizar escavação de túnel em terreno com presença de rocha, mas a área não aceita detonação. Foi justamente essa a situação que os construtores do túnel Max Feffer, que liga a Avenida Cidade Jardim com a Av. Brigadeiro Faria Lima, em São Paulo, encontraram no inicio dos anos 2000, conforme lembra Fábio Ietto, engenheiro de produtos da Copex. A solução, segundo ele, foi usar cabeçotes fresadores instalados como implementos de escavadeiras. “Tratam-se de componentes compostos de bits – semelhantes àqueles presentes nas fresadoras de asfalto – que equipam um cabeçote giratório. Esse equipamento, em rotações elevadas, fresa as paredes do túnel permitindo o avanço da obra”, define ele.

A Copex comercializa cabeçotes fresadores da fabricante Simex, que podem ser instalados tanto em escavadeiras hidráulicas pequenas como em máquinas mais robustas, de até 40 toneladas. “A tecnologia de fresagem, todavia, não se limita aos componentes que são instalados em escavadeiras. Já há máquinas desenvolvidas com chassi inteiramente definido para esse fim”, intervém Armando Bernardes, gerente de linhas de produto da Sandvik.

No rol de equipamentos da fabricante, essas máquinas são denominadas como roadheaders. “São máquinas pesadas, de até 130 toneladas, que trabalham com cabeça de corte de 300 kW, capazes de fresar rochas de até 130 megapascal”, diz o especialista. Ele explica que as máquinas da Sandvik são preparadas para, além de escavar com a cabeça de fresa, fazer o carregamento do equipamento transportador de maneira contínua. Para isso, são dotadas de correia transportadora, funcionando, novamente, de maneira semelhante às fresadoras de asfalto, sendo que o material fresado na primeira extremidade da máquina é transportado pela correia transportadora que passa por dentro dela própria e segue até a outra extremidade do equipamento, onde há o seu despejo em um caminhão ou outro equipamento transportador.

O diferencial do equipamento da Sandvik, afirma Bernardes, seria a sua robustez, o que lhe permite trabalhar com rochas. “A robustez a qual me refiro pode ser exemplificada apenas com os bits da cabeça de fresagem: cada um mede aproximadamente 25 cm”, diz ele, salientando que, mesmo com essas especificações, o equipamento é  indicado para atuar em rochas leves e médias, suportando, por exemplo, até mesmo a operação com calcário em mineração.

Operações contínuas

Assim como para rochas leves, para túneis construídos em solos onde não há presença de rocha, a escavação e o carregamento também podem ser feitos de forma contínua. Para esses casos, fabricantes mundiais como Terex ITC e Atlas Copco dispõem de um equipamento denominado comumente no Brasil como escavadeira/carregadeira contínua. Seu nome relata exatamente a sua operação: “A máquina da Terex ITC possui braço de escavadeira em uma das extremidades. Esse implemento escava o solo e alimenta a correia transportadora do próprio equipamento, que vai transportar o material até a outra extremidade da máquina, despejando-o diretamente no caminhão ou equipamento de transporte”, explica Orlando Beck.

Como relata o especialista, o sistema de continuidade na escavação e carregamento do material é semelhante ao aplicado pelas fresadoras da Sandvik. No caso das escavadeiras/carregadeiras contínuas da Terex ITC, a operação ocorre à velocidade de carregamento de 150 a 300 m³ de solo por hora, dependendo do modelo.

A Atlas Copco também dispõe de um modelo de escavadeira/carregadeira contínua, conforme explica Guilherme Paiva. No seu caso, as máquinas são denominadas como Häggloader e um dos modelos é dotado de dois braços e conchas para escavação. “Com isso, ele opera à velocidade de 3 a 4 m³ (180 a 240 m³/h) de material escavado e carregado por minuto”, explica ele, salientando que essa linha de equipamentos foi incorporada ao portfólio da Atlas Copco recentemente, quando a empresa adquiriu a fabricante de origem sueca GIA.

A eficiência desse tipo de equipamento, segundo Orlando Beck, ainda foi pouco explorada no Brasil. “Recordo-me somente de uma obra realizada pela construtora Camargo Corrêa na construção de um túnel na região de Mogi das Cruzes (SP) onde foi aplicada uma máquina semelhante”, diz ele. Apesar de o equipamento citado não ser da marca Terex ITC, o executivo avalia que a produtividade alcançada em utilizações desse tipo pode ser mais de três vezes superior, quando comparada a outros tipos de escavação e carregamento de materiais em obras subterrâneas. “E o tempo de carregamento ou de remoção do material escavado é o mais critico dentro do ciclo total de escavação de um túnel”, reforça ele.

Escavando com detonação

Se, por um lado, os equipamentos de produção contínua, seja com cabeça de fresagem ou com braço de escavadeira, aumentam a produtividade da escavação e carregamento, por outro eles nem sempre podem ser utilizados. Esse impedimento ocorre principalmente em tuneis onde há incidência de rochas duras, que não podem ser vencidas por esses equipamentos. “Nesses casos, a solução mais produtiva é a perfuração, com posterior detonação e retirada do material do túnel”, diz Guilherme Paiva, da Atlas Copco.

A empresa, juntamente com a Sandvik, são as mais tradicionais fabricantes desse tipo de equipamento, cujas tecnologias embarcadas evoluíram significativamente nas últimas décadas. “Os jumbos mais avançados da Atlas Copco são computadorizados, funcionam por meio de sistemas RCS, da marca. Essa tecnologia utiliza a plataforma CAN-Bus, que foi desenvolvida nos anos 1990 pela indústria automobilística e aplicada aos nossos equipamentos de perfuração, carregamento e transporte”, explica ele. A solução consiste, basicamente, em um módulo e um computador central que se intercomunicam e gerenciam as funções do jumbo de perfuração. Esses componentes estão interligados por um único cabo, que substitui toda a fiação elétrica que era utilizada nos equipamentos de perfuração mais antigos.

De acordo com o especialista da Atlas Copco, o sistema CAN-Bus proporciona níveis elevados de automação nos equipamentos. A automação do posicionamento da máquina dentro dos túneis, realizada com base no plano de perfuração pode ser feita em um computador remoto e transferido para a máquina por meio de um pen drive ou via internet. “Uma vez que o plano de perfuração é carregado na máquina, ela pode ser posicionada no túnel ou galeria por meio de um sistema de navegação chamado Total Station Navigation, que funciona utilizando um teodolito eletrônico com sistema de varredura a laser que se comunica com o equipamento via bluetooth”, diz ele. Esse sistema a laser lê os pontos de referência fixos no túnel e reconhece as geometrias do local e da própria máquina. “Em seguida, envia as informações para o jumbo que, de posse dessas informações, realiza o plano de perfuração automaticamente, necessitando apenas da supervisão do operador”, explica Paiva.

Segundo ele, por meio do software Tunnel Manager é possível a criação de planos de perfuração em qualquer computador, para serem posteriormente transferidos ao equipamento. Todo o processo é feito utilizando um pen drive ou até mesmo transferindo instantaneamente via internet sem fio, desde que haja infraestrutura disponível para o túnel. “Uma vez inserido o pen drive ou transferidas as informações remotamente, o plano de perfuração é reconhecido pelo equipamento e a máquina executa os furos de acordo com o que foi definido”, diz ele, salientando que a alta precisão na execução da perfuração é fundamental no controle de overbreak, underbreak e fragmentação no desmonte de cada frente.

Paiva complementa que, com o controle computadorizado do sistema de perfuração, os parâmetros são definidos no display do equipamento, considerando diferentes níveis de acesso. O sistema integrado de diagnóstico possibilita a detecção e correção de falhas por meio  do display na cabine. “O design modular da máquina possibilita a inserção de opcionais com o intuito de aumentar o nível de automação. Seus componentes são intercambiáveis, minimizando estoques de frotas em operação”, diz ele.

Os jumbos de perfuração da Sandvik também têm interação remota ou com o envio do plano de perfuração via pen drive. “Dessa forma, o painel de controle da máquina informa todos os dados do plano de perfuração que está sendo executado automaticamente para o operador, que igualmente trabalha como um supervisor da máquina”, explica Armando Bernardes. Com esse sistema, os equipamentos da fabricante podem trabalhar com até três braços operacionalizando simultânea e independentemente. “O sistema também faz correção automática de problemas na malha de perfuração e, caso a perfuratriz de um dos braços não consiga embocar na marcação do furo, o operador pode interceder manualmente”, diz.

Da mesma forma que ocorre com o sistema descrito pela Atlas Copco, essa tecnologia é disponibilizada pela Sandvik para o Brasil com o nome de Data Control. Na Sandvik, porém, além de todo o sistema operacional ser computadorizado, há também a presença de um diagnóstico automático para manutenção. “O próprio sistema faz as indicações para correção de algum caso de falha no composto eletrônico do equipamento”, diz Bernardes.

Na linha da Sandvik, há outra tecnologia mais conhecida nacionalmente denominada TCAD. Nela, os controles são semelhantes, mas o conceito é diferente. “Ao contrário do Data Control, no TCAD a máquina supervisiona o operador”, sintetiza Bernardes. Ele explica que a tecnologia mostra, na tela do operador e em tempo real, a posição de cada haste de perfuração e a sua operação. “O plano de perfuração pode ser desenhado previamente em escritório, transferido para um pen drive e inserido no computador de bordo do equipamento em campo. “Assim, o operador tem todas as informações necessárias para realizar o plano de perfuração mais próximo da perfeição”, diz ele, salientando que o sistema é preciso, mas depende da interface do operador, o que ainda o mantém manual.

Explosão eficiente

A utilização de tecnologias eficientes para a realização dos furos na forma exata ao que está estipulado na malha de perfuração irá influenciar diretamente na qualidade da detonação. “A aplicação do explosivo também interfere e por isso oferecemos máquinas específicas para essa atividade”, adianta Marco Antônio Galvão Maia, diretor comercial da Astec do Brasil.

O executivo se refere aos equipamentos da marca BTI, comercializados pelo grupo Astec no Brasil e em outros locais do mundo. A sua operação é simples: o equipamento para em frente à área perfurada, posiciona a lança e bombeia a emulsão de explosivo para preencher o furo. Em seguida, o tampão é colocado para evitar vazamento. “Essa máquina possui um tanque para transporte e armazenamento do explosivo líquido, com modelos que variam de 3 a 6 m³ de capacidade de tancagem”, diz ele.

Para essa atividade, a Joy Global também disponibiliza equipamento especifico. O anfo loader da marca Dux, segundo Drumond Medeiros, gerente de contas da empresa, foi especificamente desenvolvido para injetar material explosivo em perfurações de rochas duras. “Esse equipamento tem transportador articulado com cabine (plataforma) acoplado, compressor de ar, bomba de injeção de material explosivo, braço com cesta para até duas pessoas e tanque para transporte de explosivo”, explica ele.

Carregamento do material desagregado

Seja o túnel construído em terreno rochoso ou não, o material desagregado precisa ser retirado para que se obtenha a sequência de avanço da obra. Nessa fase, que requer a consideração de outros equipamentos, os mínimos detalhes podem significar uma grande diferença econômica. Se o carregamento for feito por máquinas improdutivas, acarretará a circulação de mais motores diesel dentro do túnel. Como a queima de combustível gera gases nocivos ao ser humano (e inflamáveis quando confinados), eles precisam ser exauridos. Para esse fim, são instalados ventiladores nas obras de túneis. Quanto mais queima de combustível ocorrer, maior terá de ser a potência do ventilador. “E isso representa um custo significativo na planilha da obra. Em mineração subterrânea, por exemplo, a ventilação pode chegar até 30% do total aplicado no processo de escavação”, informa Orlando Beck.

O especialista explica que a melhor forma de reduzir os dimensionamentos de ventilação é utilizando equipamentos eficientes de carregamento, capazes de conferir maior produtividade por ciclo de operação. É o caso das carregadeiras rebaixadas (LHD), disponibilizadas principalmente para minerações subterrâneas por diversas marcas, como as próprias Atlas Copco e Sandvik.

Para Armando Bernardes, especialista dessa última empresa, esse é um tipo de equipamento que deveria ter maior utilização no Brasil, onde ainda é bastante comum a utilização de pás carregadeiras da Linha Amarela de construção. “Chega-se ao ponto de ampliar as dimensões dos túneis para que se possa utilizar equipamentos convencionais, o que resulta em elevação dos custos gerais, pois trabalha-se com excesso desde a abertura até a escavação e retirada de material, sem contar a regularização das paredes dos túneis”, diz ele.

Bernardes afirma que uma carregadeira convencional, de 2 metros de largura, comporta caçamba de 2 m³. “Em contrapartida, uma LHD de 2,20 metros de largura pode ter caçamba de 3,5 m³ e, se falarmos de um modelo de 2,50 metros de largura, a capacidade de carregamento por ciclo sobe para 5 m³. É o dobro de produtividade”, diz ele.

Orlando Beck complementa que, além da maior capacidade de carga, as LHD são projetadas para obter melhor manobrabilidade em locais confinados. Isso porque o operador fica posicionado com visibilidade nas duas extremidades da máquina. “Assim, ele carrega a concha operando de um lado e conduz o equipamento para o lado contrário até a saída do túnel, sem necessitar realizar manobras em confinamento”, explica ele, salientando que essa operação causa diferença significativa no ciclo de trabalho, o que irá resultar em menor consumo de combustível dentro do túnel, menos emissão de gases e a consequente redução do sistema de ventilação.

Em túneis de grandes dimensões, a LHD ou a carregadeira convencional operam em consonância com outros equipamentos. “Há situações, principalmente em obras de metrô, nas quais os túneis são extensos, onde se instala correia transportadora para transportar o material até a saída do túnel”, relata Orlando Beck. Em outros casos, ele lembra que a operação pode ser combinada com caminhões rodoviários ou específicos para obras subterrâneas. “Esses, assim como as carregadeiras, têm um perfil rebaixado, que possibilitam a sua operação mesmo em túneis de menor diâmetro”, diz.

Tecnologias de bate-choco

Uma vez desagregado e retirado o material, essa parte da obra precisa ter suas paredes consolidadas, algo que, no método NATM, acontece com o atirantamento, semelhante ao descrito no início desta reportagem. Antes de avançar para essa fase, todavia, é preciso avaliar as condições da circunferência, principalmente em túneis construídos em terreno rochoso. “Após a detonação, pode haver arestas de rochas prontas a despencar. É preciso limá-las e, para isso, realiza-se um processo denominado bate-choco”, explica Fábio Ietto, da Copex.

O bate-choco pode ser realizado com cabeçotes fresadores, intervindo com fresa nos pontos necessários. Mas a sua execução tradicional ocorre com rompedores. Nesse caso, a primeira indicação dos especialistas é que sejam máquinas direcionadas para essa atividade, contendo como característica principal a operação com maior vibração e menor impacto. “Essas máquinas são conhecidas como scaler e levam outras características além de maior vibração do que impacto”, pondera Walfrido Piantieri, supervisor da Rammer para o Brasil.

No caso da empresa, há três configurações de scaler disponíveis, sendo a menor de um equipamento de 315 kg e força de impacto de 400 a 1.600 batidas por minutos e a maior, de 600 kg, com frequência de 500 a 1.300 batidas por minuto. No caso desses dois modelos, eles podem ser operacionalizados em máquinas portadoras de 3 a 6,5 toneladas ou de 7 a 12 toneladas, respectivamente.

“Além de os scalers da Sandvik oferecerem a opção de modo silencioso, eles são especificamente desenvolvidos para bate-choco por não realizarem batidas no vazio”, diz Piantieri. O especialista ressalta que, diferentemente dos rompedores tradicionais, que aplicam força e vibração independente do material que está sendo atingido, e dos rompedores, que não batem no vazio sem que haja um contato potente com a rocha, o scaler opera no que poderia ser chamado de “ponto intermédio” dessas duas soluções. “Ele não bate no vazio, mas começa a funcionar no momento em que o ponteiro toca na rocha”, explica ele.

Essa linha de equipamentos da Rammer, diz o executivo, conta ainda com proteção especial contra a incidência de contaminantes no sistema hidráulico. “Isso ocorre porque há tecnologia de aspersão de ar que é acionada imediatamente quando o rompedor entra em ação”, diz ele. “Esse sistema complementa toda a vedação que os scalers já possuem contra contaminantes”, explica. “Ele expele, por meio de aspersão de ar, as pequenas partículas contaminantes (poeira) e até mesmo a água que escorre continuamente em muitas obras de túneis.”

“O bate-choco pode ser realizado ainda por outras tecnologias específicas”, intervém Marco Antônio Galvão Maia, da Astec do Brasil. Ele se refere a um scaler da BTI que, ao invés de ponteiro, tem uma espécie de pinça na ponta da lança. Ele pode ser utilizado somente em chassi de scaler da própria fabricante, mas, segundo Maia, oferece maior produtividade para os processos por priorizar a vibração em detrimento do impacto, diferentemente do que ocorre com alguns martelos hidráulicos.

Consolidação das seções do túnel

O processo do bate-choco deixa as seções do túnel mais uniformes, porém, ainda rústicas. Por isso, ele é sucedido pela fase de consolidação das seções, onde é possível se aplicar diversas técnicas, como cambota metálica, tela ou concreto projetado. “Essa última solução é a mais utilizada em obras de túneis e envolve a produção e transporte do concreto até a frente de operação, além, obviamente, da projeção do material em si”, adianta Fábio Ietto.

Segundo ele, a Copex oferece uma autobetoneira da marca italiana Fiori para essa fase da obra. “Dizemos que ela é voltada para obras de túneis porque pode circular em locais com pouco mais de 3 metros de altura, enquanto os caminhões betoneira tradicionais só entram em locais com mais de quatro metros de altura”, diz ele, salientando que o equipamento produz concreto via seca e via úmida (saiba mais na pág. 42).

O tipo de concreto produzido é definido em função da projeção do material nas seções do túnel. Ietto explica que no caso de via seca, onde a projeção só depende de ar, equipamentos dotados de bons compressores dão conta do recado. “Mas, para a via úmida, onde se exige equipamento com motorização mais potente e diversos outros aparatos, já se aplica tecnologia mais avançada, como, por exemplo, um robô de projeção com mecanização completa para que o operador trabalhe fora da área de risco”, diz ele.

Solução única

Orlando Beck complementa que, em túneis de pequena seção, o espaço é critico e por isso o movimento de equipamentos gera riscos, danos e acidentes. “Na Europa, são utilizados com sucesso os pórticos móveis que sustentam em sua estrutura todos os acessórios para a perfuração, bate-choco, instalação de cambotas ou tela de sustentação, além do braço de projeção de concreto”, diz ele. Esse tipo de solução, que pode ser também atirantada no teto, libera o espaço do piso e reduz boa parte dos riscos operacionais, garante ele. “Um exemplo disso são os equipamentos da GTA“, finaliza.