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9. ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS E GALERIAS COM O USO DE EXPLOSIVOS 9.1 HISTÓRICO É possível que as primeiras aberturas de túneis foram elaboradas pelo homem (mulher) pré-histórico (a), objetivando ampliar suas cavernas, primeiras moradas naturais. Todas as civilizações da antiguidade desenvolveram métodos de abertura de túneis. Na Babilônia, os túneis eram usados extensivamente para irrigação e uma passagem para pedestres, revestido por alvenaria de tijolos com comprimento de 500 m, foi construído por volta de 2180-2160 A.C. sobre o rio Eufrates, e que ligava o palácio o palácio real com o templo. A construção foi procedida por desvio do rio, ou construção de uma ensecadeira, na estação seca. Os egípcios desenvolveram técnicas para o corte de rochas macias, com serras de cobre, e perfuratrizes de canos ocos, ambas circundadas com abrasivos, uma técnica possivelmente primeira usada para a lavra de rochas ornamentais. O templo de Abu Simbel no rio Nilo foi construído em arenito, em 1250 A.C. por Ramsés II. Tanto os gregos como romanos fizeram extensivo uso de túneis para retificar cursos d’água por drenagem para obtenção de água por aquedutos; como exemplo, temos o túnel d’água grego na ilha de Samos, aberto em calcário por uma extensão de 1 km, com seção transversal de 2 m2. O maior túnel da antiguidade foi rodoviário (o túnel de Pausilippo) de 1500 m de comprimento com largura de 8 metros e 9 m de altura, entre Nápoles e Pozzuoli, executado em 36 A.C. Para evitar a necessidade de revestimento, a maioria dos túneis foi localizada em rochas sólidas que eram fragmentadas (lascadas) pelo chamado fogo resfriado, um método envolvendo o aquecimento da rocha com fogo, seguido de seu súbito resfriamento por lançamento de água fria. Os métodos de ventilação eram primitivos, freqüentemente se limitavam à agitação de leques nas bocas dos poços, e a maioria dos túneis custou a vida de centenas ou mesmo milhares de escravos utilizados como trabalhadores. Em 41 D.C. os romanos usaram cerca de 20.000 homens por 10 anos para abrir um túnel de 6 km para drenar o lago Fucinus. O primeiro dos diversos túneis hidroviários foi o do canal “du Medi” túnel francês construído de 1666-1681 por Pierre Riquet como parte do primeiro canal ligando o oceano Atlântico ao mar Mediterrâneo através da Europa Central. Simultaneamente, a abertura de túneis ferroviários espetaculares foi iniciada na Europa Central através dos Alpes. O primeiro deles, o túnel Mont Cenis necessitou de 14 anos (1857-1871) para ser completado em seus 14 km. Seu engenheiro, Germain Sommeiller, introduziu várias técnicas pioneiras, incluindo carretas de perfuração sobre trilhos, compressores de ar hidráulicos e acampamento de operários completos com dormitórios, residências, escolas, hospitais e áreas recreativas além de oficinas de reparos. Sommeiller também projetou uma perfuratriz a ar que se tornou possível o avanço da face do túnel a razão de 4,5 m por dia. Estas perfuratrizes foram usadas em vários túneis europeus posteriores, após a substituição das brocas por outras mais resistentes desenvolvidas por Simon Ingersoll e outros nos Estados Unidos, na obra do túnel de Hoosac. No Brasil o privilégio para a construção e exploração industrial de uma estrada de ferro que partisse de Santos, alcançasse São Paulo e fosse em direção à então vila de Judiai, foi iniciado pelo Barão de Mauá para a constituição de uma empresa, que mais tarde se chamaria “São Paulo Railway Company”. O primeiro sistema funicular, ou “Serra Velha”, consistia de 8 km de rampas de 10% por onde os trens se deslocavam através de um sistema de duas pontas chamado “tail-end”. Foi inaugurado em 29 de julho de 1864, e aberto ao tráfego na inauguração de toda estrada em 1867. A abertura de túneis sob rios era considerada impossível até o desenvolvimento da couraça protetora, na Inglaterra, por Mar Brunel, um engenheiro imigrante francês. O primeiro uso da couraça foi em 1825 no túnel de Wapping-Rotherhithe através das argilas do rio Tamisa. As esporádicas tentativas do sonho dos engenheiros e túneis de possuir uma escavadora mecânica rotativa foram coroadas com êxito em 1954, na barragem de Oahe no rio Missouri perto de Pierre no Dakota do Sul (Hennies, W. T. & Silva, L. A. A, 1997). Inaugurada em dezembro de 2002, a pista descendente da Rodovia dos Imigrantes é um marco na história da engenharia rodoviária do Brasil. A maior obra do gênero na América Latina aliou alta tecnologia à preocupação com o meio ambiente para oferecer uma nova alternativa na ligação do Planalto Paulista com a Baixada Santista. A redução do impacto ambiental foi enorme. A primeira pista das Imigrantes, construída nos anos 70, afetou 1.600 hectares de Mata Atlântica. A nova pista, que elevou em 70% a capacidade do Sistema Anchieta-Imigrantes, afetou apenas 40 hectares, graças às soluções de gestão ambiental e construção adotadas pelas empresas que participaram da obra. A nova obra facilitou não só o acesso dos turistas ao litoral, mas a ligação com o porto de Santos, principal canal de exportação dos produtores brasileiros. O empreendimento foi tocado pela Ecovias, empresa concessionária do sistema Anchieta-Imigrantes. A execução ficou a cargo do Consórcio Imigrantes, formado pelas construtoras CR Almeida, do Brasil, e Impregilo, da Itália. As empresas optaram por fazer dois terços do trajeto na área da Serra do Mar em túneis e o terço restante em viadutos. Foram construídos três túneis, com extensão total de 8,23 quilômetros. O Túnel Descendente (TD) 1, que tem 3,146 metros de comprimento, é o maior túnel rodoviário do Brasil. A utilização de túneis diminui a interferência na floresta nativa. Os seis viadutos da rodovia também foram redesenhados para aumentar a distância entre seus pilares, que passou de 45 para 90 metros. Desta forma, foi possível utilizar menos colunas, outra maneira de reduzir a área afetada. Foi utilizado o pavimento rígido de concreto, mais resistente e aderente que o asfalto, o que vai reduzir a necessidade de manutenção. O projeto incluiu uma série de medidas de segurança, como telefones de emergência, câmeras de TV e sistema de ventilação no interior dos túneis para a remoção de fumaça gerada em acidentes. Na construção da nova pista foram criados pelo Governo do Estado mais de 4.500 empregos diretos e 14 mil indiretos. 9.2 TÚNEL NA ENGENHARIA CIVIL A abertura em túneis é uma obra muito comum nos projetos de engenharia civil. Os comprimentos dos túneis podem variar de alguns metros, em túneis ferroviários, até alguns quilômetros em projetos hidrelétricos. Em muitos casos, os túneis na engenharia civil não apresentam nenhum valor até os mesmos serem completados, então, uma rápida taxa de avanço é usualmente uma meta. Outros fatores de preocupação incluem o uso final (requerendo um acabamento na parede), tipos de suporte, tipos de revestimentos, tipos de rochas encontradas, perfuração, carregamento e equipamentos de carregamento, ventilação, habilidade e experiência dos trabalhadores e outras restrições tais como a proximidade de estruturas e a presença de água. 9.3 FINALIDADES DAS VIAS SUBTERRÂNEAS Quanto à finalidade a que a via subterrânea se destina podemos distinguir as seguintes categorias: a) túneis hidroviários ou de canal; b) túneis ferroviários; c) túneis rodoviários; d) sistemas metropolitanos; e) sistemas para suprimento d’água; f) sistema de disposição de esgotos; g) condutos forçados de usinas hidrelétricas; h) vias e câmaras subterrâneas estratégicas (armazenamento de resíduosatômico, testes nucleares etc.); i) vias de mineração. 9.4 CICLO DA ESCAVAÇÃO DA ROCHA O objetivo da escavação com o uso de explosivos é de desenvolver um ciclo de operações compatível com os recursos e as condições de trabalho para que se atinja uma taxa de avanço máximo. Isso inclui a combinação do tempo de perfuração (número e comprimento dos furos) com o tempo de limpeza (tipo de carregadeiras e/ou escavadeiras e equipamentos de transporte) e as necessidades de reforço da rocha (tempo de instalação e o comprimento do túnel a ser reforçado). Nos últimos anos, várias tentativas para eliminar o ciclo natural da perfuração e detonação vêm sendo tentadas, porém com limitado sucesso. O ciclo básico das escavações dos túneis é composto das seguintes operações: marcação da posição dos furos perfuração dos furos; carregamento dos furos; conexão dos acessórios e disparo do desmonte; espera até que a ventilação retire a poeira e os fumos; verificação de possíveis falhas dos explosivos e acessórios batimento de choco; carregamento e transporte do material desmontado; reforço da rocha (se necessário); levantamento topográfico; preparação do novo desmonte. 9.5 TBM (Tunnel Boring Machine) VERSUS PERFURAÇÃO E DESMONTE Fatores que influenciam na decisão se a TBM deve ser usada no lugar do desmonte por explosivos: Dureza da rocha: em rochas bastante duras o desgaste dos acessórios da TBM é excessivo tornando, às vezes, o uso desse equipamento impraticável, embora esse fator venha sendo gradualmente superado. Custo de capital: a operação de escavação com explosivo requer um menor custo de capital. A TBM é extremamente, requerendo túneis bastantes longos para justificar o seu uso. Custo corrente e variações: o método de escavação com o uso de explosivos necessita de muita mão de obra. O consumo de acessórios de perfuração e explosivos varia grandemente em função da natureza do túnel e os tipos de rocha. Fatores de tempo e Taxa de Avanço: Muitas das TBM necessitam de muito tempo para montagem. As taxas de avanço são amplamente governadas pelas características das rochas, e talvez não seja tão rápida como a operação de escavação por explosivos. Flexibilidade na operação: A perfuração e o desmonte podem ser imediatamente adaptados aos diferentes tipos de rocha ou em uma mudança na programação geral do túnel (escavações adicionais). Acabamento final: A TBM deixa bem apresentável, relativamente sem danos às paredes dos túneis, minimizando a necessidade de revestimentos, bem como reduzindo as necessidades de suportes (split set, rock bolts etc.). 9.6 DIÂMETRO DA PERFURAÇÃO DA ROCHA Pequenos diâmetros de perfuração, frequentemente, necessitam de um ciclo de perfuração, detonação e carregamento a ser completado em uma ou mais vezes por turno. Em túneis perfurados com grande diâmetro, o ciclo de perfuração, de detonação, de carregamento e de reforço da rocha será influenciado não somente pelo tempo para executar a tarefa, mas também pelos seguintes fatores: Necessidade de reforço que limitam o avanço da face; Preocupação com os níveis de vibração que restringem a massa e a profundidade da carga; Logística da movimentação necessária dos equipamentos para execução de uma determinada tarefa, mantendo fora do circuito outras atividades que poderiam ser feitas simultaneamente. 9.7 FORMAS DE ATAQUE MAIS COMUNS (SISTEMAS DE AVANÇO) Em rochas competentes os túneis com seções inferiores a 100 m2 podem ser escavados com perfuração e desmonte à seção plena. As escavações por fase são utilizadas na abertura de grandes túneis onde a seção é demasiada grande para ser coberta pelo equipamento de perfuração ou quando as características geomecânicas das rochas não permitem a escavação à plena seção. As cinco formas de ataque mais comuns são: Seção Plena; Galeria Superior e Bancada; Galeria Lateral; Abertura Integral da Galeria Superior e Bancada; Galerias múltiplas. Seção Plena Sempre que possível o sistema conhecido por sistema inglês ou da seção plena (figura 26 a) avanço integral da seção é escolhido para realizar um determinado avanço de uma só vez. As principais vantagens da abertura de túneis por seção plena constituem que esse tipo de avanço permite a aplicação de equipamento de alta capacidade, e consequentemente é o procedimento que atinge as maiores velocidades de avanço nas frentes. Existem sérias restrições quando as seções são maiores principalmente em áreas de grande tensão tectônica, quando a descompressão da rocha pode causar sérios problemas de explosão da rocha (“rock bursting”). Galeria Superior e Bancada A área total é retirada em duas seções, sendo a superior uma galeria de seção em forma de arco (parte da pata de cavalo) sempre em primeiro lugar, ficando sempre à frente da bancada inferior. As principais vantagens desta forma de ataque estão na redução de armações, pois sempre há bancadas para trabalhar em cima. O avanço da bancada inferior fica condicionado ao avanço da abertura da galeria superior, assim algum problema que ocorra na parte superior se reflete no avanço inferior. A figura 19 mostra detalhes dessa forma de ataque. Figura 19 – Forma mista de ataque do túnel Galeria Lateral O sistema de ataque que abre a metade da área da seção do túnel, porém subdividindo o mesmo em duas galerias que são detonadas em separado, é também conhecido pelo nome de sistema belga. Na escolha da forma de ataque ou método de escavação deve-se levar em conta o sistema de suporte a ser empregado. Esta seleção de método sempre consiste de num compromisso de entre uma tentativa de acelerar ao máximo a operação de abertura e a necessidade de suportar a rocha antes que esta caia no túnel originando problemas de segurança ou estabilidade. Por isso o método de ataque depende do comportamento e da dimensão e forma da seção transversal do túnel, e principalmente do tipo e natureza e comportamento mecânico estrutural da rocha. A figura 20 a) mostra os tipos de sistemas de avanços, enquanto a figura 20 b) mostra as perfurações e um túnel com avanço em duas seções. Já a figura 21 mostra uma perfuração de um túnel efetuada por um jumbo. Figura 20 - a) tipos de sistemas de avanços; b) túnel com avanço em duas seções. Figura 21 - Perfuração de um túnel sendo efetuada por um jumbo 9.8 PILÕES Para um desmonte ser econômico, e necessário que a rocha a ser desmontada tenha face livre. Em algumas aplicações de desmontes essas faces livres inexistem. É o caso do desenvolvimento de túneis, poços (shafts), e outras aberturas subterrâneas, onde se torna necessário criar faces livres artificialmente. Isto é feito preliminarmente no desmonte principal, através da perfuração e detonação de uma abertura na face da perfuração. Essa abertura é denominada “pilão” (cut). A seleção do pilão depende não somente das características da rocha e da presença de juntas e planos de fraqueza, mas também da habilidade do operador, do equipamento utilizado, do tamanho da frente e da profundidade do desmonte. Os principais tipos de pilão são: Pilão em centro ou em pirâmide (Center Cut) – figura 22 Pilão em V (Wedge Cut) – figura 23 Pilão Norueguês (The Draw Cut) – figura 24 Pilão Coromant – figura 25 Pilão queimado ou estraçalhante (The Burn Cut) – figura 26 Pilão em Cratera Pilão Circular ouPilão de Furos Grandes Pilão em Pirâmide O pilão em pirâmide, também conhecido por pilão alemão, caracteriza-se por ter os 3 ou 4 furos centrais convergentes a um ponto. Usa-se principalmente em poços e chaminés. Em trechos horizontais este pilão não tem sido muito utilizado devido aos furos desviados para baixo Figura 22 - Pilão em Centro ou em Pirâmide Pilão em V ou em Cunha Não mais são necessários os furos descarregados de diâmetro grande, pois o alívio da rocha, dado o ângulo do furo em relação à face livre, faz-se não mais em direção a um furo descarregado, mas em direção à própria face livre. Plano Vista Frontal Vista Isométrica Figura 23 - Pilão em V (em cunha) Pilão Norueguês O pilão norueguês consta de uma combinação do pilão em V com o pilão em leque. Apresenta-se simétrico em relação ao eixo vertical do túnel e tem sido utilizado com sucesso em rochas com fissuramento horizontal. Vista Lateral Vista Frontal Vista Isométrica Figura 24 - Pilão Norueguês Pilão Coromant Consiste na perfuração de dois furos secantes de igual diâmetro, que constituem a face livre em forma de 8 para as primeiras cargas Figura 25 – Pilão Coromant Pilão em Cratera Esse tipo de pilão desenvolvido originalmente por Hino no Japão, aproveitando o efeito cratera que as cargas de explosivo concentradas no fundo dos furos produzem sobre a superfície livre mais próxima. Esta metodologia se aplica mas nas escavações de chaminés do que em túneis. Pilão Queimado (Burn Cut) O pilão queimado é o mais utilizado na abertura de túneis e galerias. É assim chamado porque consta de uma série de furos, dos quais um ou mais não são carregados. A detonação da carga se faz por fogos sucessivos, servindo os furos não carregados como pontos de concentração de tensões. As figuras 26 e 27 mostram o esquema de um pilão queimado. Figura 26 - Pilão queimado de quatro seções Figura 27 – Vista Lateral do Pilão Queimado 9.9 PLANO DE FOGO SUBTERRÂNEO Conceituação Chama-se “plano de fogo” o plano que engloba o conjunto dos elementos que permitem uma perfuração e detonação correta de um túnel, galeria, poço etc., através do equipamento previsto para este serviço e dos tempos necessários ao cumprimento do cronograma. A primeira parte de um plano de fogo refere-se à determinação do explosivo e sua forma de detonação. Seguem-se a verificação do projeto e o estudo do tempo. As figuras 28 e 29 mostram as zonas de um desmonte de um túnel ou galeria. Zona dos furos de Contorno Zona dos furos de Alívio Pilão Zona dos furos Auxiliares Zona dos furos do Piso (Sapateira) Figura 28 - Zonas de uma seção de uma galeria ou túnel Figura 29 – Elementos da face de um túnel A operação unitária de perfuração e desmonte por explosivos usada em túneis realiza-se se perfurando a rocha na frente de avanço do túnel ou galeria com uma série de furos de mina nos quais se coloca o explosivo juntamente com linha silenciosa para túnel (Brinel, Exel etc.), cordel detonante (Manticord, Britacord etc.) e estopim espoletado (Britapim, Mantopim, Espoletim etc.). Os furos de mina e a sua seqüência de iniciação são dispostos segundo um plano previamente estabelecido que ira determinar como a rocha vai se romper, em geral denominado como plano de fogo. Os primeiros furos de mina a detonarem devem criar um vazio para o qual se lança sucessivamente o resto da rocha. Esta abertura, o pilão, que em geral ocupa 1 m2 da frente de avanço é a chave que abre a rocha até uma profundidade que depende da forma e sucesso conseguido no mesmo. As fases seguintes do desmonte, repartidas no espaço remanescente, devem ser projetadas para se obter o contorno desejado com um menor dano possível da rocha remanescente. A maior parte da rocha de um desmonte por explosivos em um túnel deve romper, contra uma face mais ou menos livre, o que significa com um ângulo inferior a 90. 9.10 CÁLCULO DOS ELEMENTOS DO PLANO DE FOGO PILÃO O pilão é composto de um ou mais furos de diâmetro grande e descarregados os quais são rodeados por furos com diâmetros menores e carregados. Os furos do pilão são dispostos em quadrados (seções) em torno da abertura inicial (furos de alívio). O pilão de três seções tem sido aplicado para equipamento de perfuração leve, manual e com um furo central vazio de 75 mm. Por outro lado, o pilão de quatro seções por proporciona avanço satisfatório tornou-se o tipo de pilão mais atualizado na atualidade, devido, especialmente, a elevada mecanização e automação, principalmente com o emprego de jumbos. No projeto do pilão, os seguintes parâmetros são muito importantes para a obtenção de um bom resultado: diâmetro do furo alargado; afastamento; concentração da carga; precisão da perfuração. Profundidade de perfuração (H) e Avanço (X) No pilão de quatro seções a profundidade do furo pode ser estimada com a seguinte expressão: 2 22 4,391,3415,0 DDH sendo D2 = diâmetro do furo alargado (vazio), em metro. Quando se utiliza mais de um furo vazio o valor de D2 pode ser calculado através da expressão: nxDD ´22 onde: D’2 = diâmetro do furo alargado (m) n = número de furos vazios O avanço dos desmontes está limitado pelo diâmetro do furo de expansão (alargado) e pelos desvios dos furos carregados. Sempre que está última se mantenha abaixo dos 2%, os avanços médios “X” podem chegar a 95% da profundidade dos furos “H”, de acordo com a expressão: X = 0,95 x H Um bom avanço nos desmontes de rochas, bem como uma boa fragmentação da rocha, são extremamente dependentes da precisão do esquema de perfuração. A qualidade da perfuração da rocha é afetada pelos três tipos de erros: a) erros de embocadura (emboque dos furos); b) erros de alinhamento dos furos; c) erros de desvios adicionais no interior da rocha decorrentes da presença de descontinuidades (falhas e juntas) e mudanças litológicas, bem como pelo peso da coluna de perfuração. Cada centímetro perdidono avanço tem que ser novamente perfurado, recarregado e desmontado. A qualidade do desmonte possui grande impacto na segurança e nas necessidades de suporte. É muito importante que os furos do pilão sejam perfurados o mais paralelo possível, respeitando a distância calculada no plano de fogo. Desvios tão pequenos como, por exemplo, de 50 mm em uma perfuração de 3 m podem resultar em uma saída ruim do pilão. Quando possível, o pilão de ser perfurado no mínimo 150 mm a mais do que os demais furos para aumentar o desempenho do pilão, a região mais crítica da face. CÁLCULO DO 1 QUADRADO Pela figura 30 observa-se que a distância “a” entre os furos de carga do 1 Quadrado e o furo alargado para se obter a quebra e a expulsão do material fragmentado (desmonte limpo) deve ser calculada pela expressão : a = 1,5 x D2 Figura 30 – Distância entre os centros dos furos e os efeitos nos desmontes Cálculo do Tampão (T1): T1 = a Cálculo da Razão Linear (RL) x d RL e 4000 2 onde: de = diâmetro do explosivo (mm); = densidade do explosivo (g/cm3). Carga explosiva por furo do 1 Quadrado (Q1) Q1 = (H – T1) x RL Número de cartuchos por furo do 1 quadrado (NC1) m TH NC 610,0 1 1 onde: 0,610m é o comprimento do cartucho Distância entre os furos do 1 Quadrado ou Superfície Livre (W1) 21 aW CÁLCULO DO 2 QUADRADO Cálculo da distância entre o centro do furo alargado e o centro do furo do 2 Quadrado (dcc2): dcc2 = 1,5W1 Cálculo do lado do 2 Quadrado (W2) 222 ccdW Cálculo do Tampão (T2) T2 = 0,5W1 Carga explosiva por furo do 2 Quadrado (Q2) Q2 = (H – T2) x RL Número de cartuchos por furo (NC2) m TH NC 610,0 2 2 CÁLCULO DO 3 QUADRADO Cálculo da distância entre o centro do furo alargado e o centro do furo do 3 Quadrado (dcc3): dcc3 = 1,5W2 Cálculo do lado do 3 Quadrado (W3) 233 ccdW Cálculo do Tampão (T3) T3 = 0,5W2 Carga explosiva por furo do 3 Quadrado (Q3) Q3 = (H – T3) x RL Número de cartuchos por furo (NC3) m TH NC 610,0 3 3 CÁLCULO DO 4 QUADRADO Cálculo da distância entre o centro do furo alargado e o centro do furo do 4 Quadrado (dcc4): dcc4 = ar + 0,5 x W3; sendo ar o afastamento recomendado Pela tabela 14, ar = 1,0 m Tabela 14: Valores do afastamento para diversos diâmetros da perfuração Diâmetro da perfuração Afastamento recomendado - ar (m) 25 mm = 1” 0,75 29 mm = 1 1/8” 0,80 32 mm = 1 ¼” 084 38 mm = 1 ½” 1,00 51 mm = 2” 1,18 Cálculo do lado do 4 Quadrado (W4) 244 ccdW Cálculo do tampão (T4) T4 = 0,5ar Carga explosiva por furo do 4 Quadrado (Q4) Q4 = (H – T4) x RL Número de cartuchos por furo (NC4) m TH NC 610,0 4 4 CÁLCULO DOS DEMAIS FUROS DA SEÇÃO FUROS DO PISO (Levante, Sapateira, Rebaixe) Afastamento recomendado (ar) do último quadrado Cálculo do Espaçamento do levante (El) El = 1,1ar Número de furos do piso (NFl) p l E TúneldouraL INTNF arg O tampão dos furos de levante é calculado através da seguinte expressão: Tl = 0,2ar Carga explosiva de cada furo do levante (Ql) Ql = (H – Tl) x RL Número de cartuchos por furo (NCl) 610,0 l l TH NC FUROS DA PAREDE Neste caso teremos que executar a técnica de “Detonação Amortecida”, utilizando a tabela 15: Tabela 15: Valores a serem aplicados na técnica de Detonação Amortecida Diâmetro da perfuração (mm) RL (kg/m) Diâmetro do cartucho (mm) Afastamento (ap), em metros Espaçamento (Ep), em metros 25 – 32 0,11 11 0,3 – 0,5 0,25 – 0,35 25 – 48 0,23 17 0,7 – 0,9 0,50 – 0,70 51 – 64 0,42 22 1,0 – 1,1 0,80 – 0,90 76 0,50 38 1,4 1,6 Cálculo do tampão dos furos da parede (Tp) Tp = 0,5ap Cálculo da carga dos furos da parede (Qp) Qp = (H-Tp) x RL Cálculo do número de cartuchos dos furos da parede (NCp) NCp = (H – Tp) / 0,5 Onde: 0,5 é o comprimento do cartucho utilizado na parede Cálculo do número de na parede (NFp) 21 x E aparededaAltura INTNF p l p CÁLCULO DOS FUROS DO TETO Os furos do teto apresentam os mesmos dados que os furos da parede: at = ap; Et = Ep; Qt = Qp; Tt = Tp Número de furos do teto (NFt) 1 T t E R INTNF sendo R = altura da abóbada. Número de furos do contorno (teto + parede) (NFc) 1 T c E LD INTNF onde: LD = (altura da parede – al) x 2 + R Ao locar os furos de contorno, devemos ter em mente os ângulos de saída (), figura 31. A magnitude do ângulo depende do equipamento de perfuração e da profundidade do furo. Para um avanço em torno de 3 m um ângulo igual a 3 (corresponde a 5 cm/m) deve ser suficiente para permitir espaço para a perfuração da nova frente, evitando-se que o túnel afunile. Figura 31 - Ângulo de saída dos furos CÁLCULO DOS FUROS INTERMEDIÁRIOS LATERAIS AO PILÃO Número de linhas verticais (NLV) 1 )( liE EDHhorizontalnadisponívelEspaço INTNLV sendo: Eli = 1,1 x ar EDH = LT – W4 – 2 x ap Número de linhas horizontais (NLH) 1 )( ra EDVverticalnadisponívelEspaço INTNLH EDV = ap – al Número de furos intermediários laterais ao pilão (NFil) NFil = NLV x NLH Cálculo do Tampão (Til) Til = 0,5 x ar Cálculo da carga por furo (Qil) Qil = (H - Til ) x RL Cálculo do número de cartuchos por furo (NCil) NCil = (H - Til ) / 0,601 m CÁLCULO DOS FUROS INTERMEDIÁRIOS ACIMA DO PILÃO (REALCE) Ei = 1,2 x ai = 1,2 m Número de arcos e linhas (Nal) Nal = INT(R – ap) Número de furos do 1 arco superior (NF1) iE r INTNF 11 Número de furos do 2 arco superior (NF2) iE r INTNF 22 Número de furos do 3 arco superior (NF3) iE r INTNF 33 Número de furos na horizontal (NFh) i h h E E INTNF onde: Eh = espaço disponível na horizontal. Cálculo do tampão dos furos intermediários acima do pilão (Tiap) Tiap = 0,5 x ar Cálculo da carga dos furos intermediários acima do pilão (Qiap) Qiap = (H - Tiap ) x RL Cálculo do número de cartuchos por furo (NCiap) NCiap = (H - Tiap ) / 0,610 m 9.11 TEMPOS DE INICIAÇÃO DA SEÇÃO DO TÚNEL Existem poucasregras para a determinação dos tempos de retardo na escavação por explosivos de um túnel. Os tempos de retardo serão influenciados pelas condições específicas das faces, incluindo: tipo de rocha a ser detonada: resistência, estrutura, elasticidade etc.; o lançamento necessário dos fragmentos; a fragmentação exigida. Tempos curtos versus tempos longos A África do Sul é um dos poucos países no mundo em que a iniciação dos furos na escavação do túnel é feita utilizando-se retardos de períodos longos (LPD), incluindo o uso do estopim de segurança. Na maioria dos túneis na Europa e na América do Norte e em outras partes do mundo é utilizado retardo de tempos curtos (SPD). Vantagens dos retardos de tempos curtos: fragmentação mais fina; pilha mais solta (mais fácil de escavar); reduzida probabilidade de cortes devido a movimentação do maciço rochoso causado pela detonação dos primeiros furos. Vantagens dos retardos de tempos longos: menor sobrepressão atmosférica, permitindo que as tubulações de água e ar permaneçam próximas à face; menor lançamento do material. É importante na detonação do túnel, termos um intervalo de tempo suficiente. Para furos com profundidade de 4 m são indicados normalmente os seguintes tempos: - Pilão: 75 a 100 ms, devendo usar tempos diferentes para cada furo. - Nos demais furos, usar intervalo de 100 a 500 ms. 9.12 EXEMPLO PRÁTICO: Pretende-se realizar a escavação, em maciço rochoso, dum túnel. As dimensões do túnel são de 12 m de vão ou largura, 3,28 m de parede e 6 m de altura de abóbada. A área da seção é de 96 m2. O túnel de 1500 m de extensão apresenta os seguintes dados de projeto: Diâmetro da perfuração (D1) = 38 mm = 0,038 m Diâmetro do furo central vazio do pilão - alargado (D2) = 127 mm = 0,127 m Ângulo de saída dos furos de contorno () = 3 Explosivo a ser utilizado: Emulsão com as seguintes dimensões = 29 mm x 610 mm; Explosivo (petecas): 22 mm x 500 mm; densidade da peteca () = 1,0 g/cm3 Rocha e densidade: calcário; = 2,7 g/cm3 = 2,7 t/m3 Pede-se dimensionar o plano de fogo e o consumo de explosivos e acessórios necessários para a execução da obra. Solução: a) Cálculo da profundidade do furo (H) e do Avanço (X) 2 22 4,391,3415,0 DDH mHH 8,3127,04,39127,01,3415,0 2 Avanço (X) mHmxHX 6,38,395,095,0 b) Cálculo do 1 Quadrado do Pilão Cálculo da distância “a” (centro a centro) entre os furos de carga do 1 quadrado e o furo alargado: a = 1,5D2 = 1,5 x 0,127 m a = 0,19 m = 19 cm Cálculo da razão linear (RL) para de = 29 mm mkgRLxx d RL e /759,015,1 4000 2914,3 4000 22 Tampão (T1) T1 = a = 0,19 m = 19 cm Carga explosiva por furo do 1 Quadrado (Q1) Q1 = (H – T1) x RL = (3,8 m - 0,19 m) x 0,759 kg/m Q1 = 2,740 kg Número de cartuchos por furo do 1 quadrado (NC1) 6NC m610,0 m19,0m8,3 cartuchodoocompriment TH NC 1 1 1 Distância entre os furos do 1 Quadrado ou Superfície Livre (W1) cmmWxmaW 2727,04142,119,02 11 c) Cálculo do 2 Quadrado do Pilão A detonação do 1 Quadrado ocasionará uma abertura de 0,27 m x 0,27 m. Cálculo da distância entre o centro do furo alargado e o centro do furo do 2 Quadrado (dcc2): dcc2 = 1,5W1 = 1,5 x 0,27 m dcc2 = 0,405 = 41 cm Cálculo do lado do 2 Quadrado (W2) cm57m57,0W4142,1xm405,02dW 22cc2 T2 = 0,5W1 = 0,5 x 0,27 m T2 = 0,14 m = 14 cm Carga explosiva por furo do 2 Quadrado (Q2) Q2 = (H – T2) x RL = (3,8 m - 0,14 m) x 0,759 kg/m Q2 = 2,778 kg Número de cartuchos por furo (NC2) 6 61,0 14,08,3 610,0 2 2 2 NC m mm m TH NC d) Cálculo do 3 Quadrado A detonação do 2 Quadrado dará uma abertura de 0,57 m x 0,57 m. dcc3 = 1,5W2 = 1,5 x 0,57 m dcc3 = 0,86 m = 86 cm mWxmdW cc 22,14142,186,02 333 T3 = 0,5W2 = 0,5 x 0,56 m T3 = 0,3 m = 30 cm Carga explosiva por furo do 3 Quadrado (Q3) Q3 = (H – T3) x RL = (3,8 m - 0,3 m) x 0,759 kg/m Q3 = 2,657 kg Número de cartuchos por furo (NC3) 6 61,0 3,08,3 610,0 2 3 3 NC m mm m TH NC e) Cálculo do 4 Quadrado A detonação do 3 Quadrado dará uma abertura de 1,22 m x 1,22 m. dcc4 = ar + 0,5 x W3; sendo ar o afastamento recomendado Pela tabela 14, ar = 1,0 m dcc4 = 1 + 0,5 x 1,22 dcc4 = 1,61 m mWxmdW cc 28,24142,161,12 444 T4 = 0,5ar = 0,5 x 1,00 m T4 = 0,5 m = 50 cm Carga explosiva por furo do 4 Quadrado (Q4) Q4 = (H – T4) x RL = (3,8 m - 0,5 m) x 0,759 kg/m Q4 = 2,505 kg Número de cartuchos por furo (NC4) 5,5 610,0 5,08,3 610,0 2 4 4 NC m mm m TH NC CÁLCULO DO DEMAIS FUROS DA SEÇÃO f) Furos do Piso (Sapateira, Levante) Afastamento prático (ar) do último quadrado (ar = 1,0 m) Cálculo do Espaçamento do levante (El) El = 1,1ar = 1,1 x 1,0 m El = 1,1 m Número de furos do piso (NFl) 122 1,1 12 2 arg l p l NF m m INT E TúneldouraL INTNF O tampão dos furos de levante é calculado através da seguinte expressão: Tl = 0,2ar = 0,2 x 1,00 m Tl = 0,2 m = 20 cm Carga explosiva de cada furo do levante (Ql) Ql = (H – Tl) x RL = (3,8 m - 0,2 m) x 0,759 kg/m Ql = 2,732 kg Número de cartuchos por furo (NCl) 6 610,0 2,08,3 610,0 l l l NC m mmTH NC g) FUROS DA PAREDE Neste caso teremos que executar a técnica de “Detonação Amortecida”, utilizando a tabela 16: Tabela 16: Valores a serem aplicados na técnica de Detonação Amortecida Diâmetro da perfuração (mm) RL (kg/m) Diâmetro do cartucho (mm) Afastamento (ap), em metros Espaçamento (Ep), em metros 25 – 32 0,11 11 0,3 – 0,5 0,25 – 0,35 25 – 48 0,23 17 0,7 – 0,9 0,50 – 0,70 51 – 64 0,42 22 1,0 – 1,1 0,80 – 0,90 76 0,50 38 1,4 1,6 Logo para D1 = 38 mm, utilizando os valores médios ap = 0,8 m e Ep = 0,6 m. Tp = 0,5ap = 0,5 x 0,8 m Tp = 0,4 m RL = 0,230 kg/m Cálculo da carga dos furos da parede (Qp) Qp = (H-Tp) x RL = (3,8 m – 0,4 m) x 0,230 kg/m Qp = 0,782 kg NCp = (H – Tp) / 0,5 = (3,8 m – 0,4 m) / 0,5 NCp = 7 821 6,0 0,128,3 21 p p l p NFx m mm INTx E aparededaAltura INTNF h) FUROS DO TETO Os furos do teto apresentam os mesmos dados que os furos da parede: at = 0,8 m; Et = 0,6 m; Qt = 0,782 kg; Tt = 0,4 m Número de furos do teto (NFt) 301 6,0 0,614,3 1 t T t NF m mx INT E R INTNF sendo R = altura da abobada. Número de furos do contorno (teto + parede)(NFc) 381 6,0 4,23 1 c T c NF m m INT E LD INTNF onde: LD = (altura da parede – al) x 2 + R = (3,28 m – 1,0 m) x 2 + 3,14 x 6,0 m LD = 23,4 m i) FUROS INTERMEDIÁRIOS LATERAIS AO PILÃO Número de linhas verticais (NLV) 1 )( liE EDHhorizontalnadisponívelEspaço INTNLV sendo: Eli = 1,1 x ar = 1,1 x 1,0 m Eli = 1,1 m EDH = LT – W4 – 2 x ap = 12 m - 2,28 m – 2 x 0,8 EDH = 8,12 m Sendo: LT = largura do túnel, então: 81 1,1 12,8 NLV m m INTNLV Número de linhas horizontais (NLH) 1 )( ra EDVverticalnadisponívelEspaço INTNLH sendo: ar = 1,0 m EDV = ap – al = 3,28 m – 1,0 m EDV = 2,28 m; então: 31 0,1 28,2 NLV m m INTNLH Número de furos intermediários laterais ao pilão (NFil) NFil = NLV x NLH = 8 x 3 NFil = 24 Cálculo do Tampão (Til) Til = 0,5 x ar = 0,5 x 1,0 m Til = 0,5 m Cálculo da carga por furo (Qil) Qil = (H - Til ) x RL = (3,8 m – 0,5 m) x 0,759 kg/m Qil = 2,505 kg Cálculo do número de cartuchos por furo (NCil) NCil = (H - Til ) / 0,601 m = (3,8 m – 0,5 m) / 0,601 m NCil = 5,5 j) Furos Intermediários acima do pilão (Realce) ai = 1,0 m (último quadrado); Ei = 1,2 x ai = 1,2 m Número de arcos e linhas (Nal) Nal = INT(R – ap) = INT(6,0 m – 0,8 m) Nal = 5 Número de furos do 1 arco superior (NF1) 13 2,1 )8,06(14,3 1 1 1 NF m mm INT E r INTNF i Número de furos do 2 arco superior (NF2) 10 2,1 )0,18,06(14,3 2 2 2 NF m mmm INT E r INTNF i Número de furos do 3 arco superior (NF3) 8 2,1 )0,10,18,06(14,3 3 3 3 NF m mmmm INT E r INTNF i Após o 3 arco o espaço disponível na horizontal será (Eh) Eh = 12 m – 2 x 0,8 m – 4 x 1,2 m Eh = 5,6 m Número de furos na horizontal (NFh) 6 2,1 6,5 h i h h NF m m INT E E INTNF Cálculo do tampão dos furos intermediários acima do pilão (Tiap) Tiap = 0,5 x ar = 0,5 x 1,0 m Tiap = 0,5 m Cálculo da carga dos furos intermediários acima do pilão (Qiap) Qiap = (H - Tiap ) x RL = (3,8 m – 0,5 m) x 0,759 kg/m Qiap = 2,505 kg Cálculo do número de cartuchos por furo (NCiap) NCiap = (H - Tiap ) / 0,610 m = (3,8 m – 0,5 m) / 0,610 m NCiap = 5,5 RESUMO Número de furos por detonação: 127 Diâmetro dos furos carregados: 38 mm Diâmetro do furo vazio alargado: 127 mm Profundidade da perfuração por fogo: 4,1 m Avanço médio por detonação: 95 % x 4,1 m = 3,9 m Número total de detonações: 1500 m / 3,9 m por detonação = 385 detonações Volume total de rocha “in situ” por detonação (V): 3,6 m x 96 m2 = 346 m3 SISTEMÁTICA DE CARREGAMENTO DO FOGO Região Número de furos Dimensões do explosivo Carga por furo (kg) Total de explosivo (kg) 1 Quadrado 4 29 mm x 200 mm 2,740 10,960 2 Quadrado 4 29 mm x 200 mm 2,778 11,110 3 Quadrado 4 29 mm x 200 mm 2,657 10,628 4 Quadrado 4 29 mm x 200 mm 2,505 10,020 Piso (sapateira) 12 29 mm x 200 mm 2,732 32,784 Paredes 8 17 mm x 500 mm 0,782 6,256 Teto 30 17 mm x 500 mm 0,782 23,460 Intermediários laterais ao pilão 24 29 mm x 200 mm 2,505 60,120 Intermediários acima do pilão 37 25 mm x 200 mm 2,505 92,685 Consumo total de explosivos por desmonte: 258,023 kg CONSUMO TOTAL DE EXPLOSIVOS E ACESSÓRIOS POR DETONAÇÃO Cartuchos de 29 mm x 610 mm: 228,307 kg Cartuchos de 17 mm x 500 mm: 29,716 kg Espoleta não elétrica com retardo (Nonel-Túnel, Exel-T, Brinel-Túnel): 127 peças Cordel detonante: 115 m Estopim espoletado (1,2 m): 2 peças Consumo de Explosivo e acessórios para o total da obra: Cartuchos de 29 mm x 610 mm: 228,307 kg / detonação x 385 detonações: 87,90 t Cartuchos de 15 mm x 500 mm: 29,716 kg / detonação x 385 detonações: 11,44 t Espoleta não elétrica com retardo: 127 peças / desmonte x 385 detonações: 48.895 peças Cordel detonante: 115 m / desmonte x 385 detonações: 44.275 m Estopim de segurança espoletado: 2 peças / desmonte x 385 detonações: 770 peças Razão de carregamento (RC): 258,023 kg / 346 m3 RC = 745,73 g/m3 Razão de carregamento (RC) em g/t: 745,73 g/m3 / densidade da rocha = 745,73 g/m3 / 2,7 t/m3 RC = 276,20 g/t Metros perfurados por detonação (MPD) MPD = 127 furos x 3,8 m MPD = 482,6 m Perfuração específica (PE) PE = MPD / V = 482,6 m / 346 m3 PE = 1,39 m/m3 Ligação da Face do Túnel 9.14 DESMONTE DE PRODUÇÃO FIGURA 32 – MÉTODO DE LAVRA SUBLEVEL STOPING FIGURA 33 – PERFURAÇÃO DO REALCE Figura 34 - Perfuração no Método de Furos Longos Figura 35 - Método de Lavra VCR – Vertical Crater Retreat Figura 36 - Carregamento do VCR
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