Utilitário de apoio à estimação de parâmetros na escavação de túneis

UTILITÁRIO DE APOIO À ESTIMAÇÃO DE PARÂMETROS NA ESCAVAÇÂO DE TÚNEIS Alberto Jorge Fernandes da Silva Dissertação submetida para satisfação dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA DE MINAS E GEO-AMBIENTE _______________________________________________________ Orientador: Professor Doutor Alexandre Júlio Machado Leite _______________________________________________________ Co-orientador: José Cardoso Guedes _______________________________________________________ Júri: José Manuel Soutelo Soeiro de Carvalho _______________________________________________________ Arguente: João Paulo Meixedo JUNHO DE 2014 Mestrado em Engenharia de Minas e Geo-ambiente 2013/2014 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MINAS Tel. +351 225 081 960 Editado por Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 Porto Portugal Tel. +351 22 508 1400 Fax +351 22 508 1140 E-mail [email protected] Website http://www.fe.up.pt Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado em Engenharia de Minas e Geo-ambiente – 2013/2014 – Departamento de Engenharia de Minas e Geo-ambiente, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2014. As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respectivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir da versão electrónica fornecida pelo respectivo Autor. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis i Aos meus Pais, Pelas suas Batalhas e Sacrifícios Para a minha Educação e Crescimento Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis ii Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis iii Resumo Os túneis, como estrutura, acompanham o Homem há muitas décadas, evoluindo graças ao constante estudo e à introdução de novas tecnologias. A construção destas estruturas, à medida que se tornaram e tornam cada vez mais complexas, exigem um extensivo estudo, analise e reflexão, previamente ao início da sua construção e escavação. Nesta fase, várias estimações e previsões são realizadas, levando em conta um variado número de parâmetros, não só do projecto como geológicos. Nesta fase de previsão e estimação, será focada esta dissertação, estudando-se as principais operações, constituintes de um projecto de escavação de túnel, bem como diversos parâmetros que são passiveis de o influenciar. Com este estudo, pretende-se contribuir, através da construção de uma utilitário informática em Matlab, para a estimação de diversos parâmetros presentes nos projectos de escavação de túneis, tendo em vista poder ser utilizado em processos de optimização desses mesmos projectos Palavras-Chave: Ciclo de trabalho, Duração temporal, Estimação, Previsão, Túneis, Software Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis iv Abstract The tunnel, as structure, accompanying the Man for several decades, evolving through the constantly study ant the introduction of new technologies. The construction of this structures, as they become more complex, demands an extensive study, analysis and reflection, before the begin of the construction. In this stage, several estimations and predications are performed, taking in consideration a large number of parameters, from the project and geologic. It’s in this prediction phase that this thesis will focus, studying the main operations, that form one opening tunnel’s project. This study will form a solid and stable base, that will support the creation of a software, in Matlab, that will allow the estimation of time duration and other parameters from a project, taking always in consideration the project characteristics and the background study. Keywords Work cycle, Temporal duration, Estimation, Prediction, Tunnel, Software, Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis v Índice Geral 1. INTRODUÇÃO .................................................................................. 15 1.1 ENQUADRAMENTO E OBJECTIVOS .............................................................................. 15 1.2 METODOLOGIA ............................................................................................................ 16 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO .................................................................................... 16 2. ENQUADRAMENTO HISTÓRICO ....................................................... 19 3. INVESTIGAÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE MACIÇOS ROCHOSOS ............. 23 3.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 23 3.2 INVESTIGAÇÃO DE MACIÇOS ROCHOSOS ................................................................... 23 Geologia .............................................................................................................. 24 3.2.1 Hidrologia e Hidrogeologia .................................................................................. 25 3.2.2 Métodos Não-intrusivos ...................................................................................... 25 3.2.3 Métodos Intrusivos ............................................................................................. 26 3.2.4 Ensaio in-situ ............................................................................................... 26 3.2.4.1 Amostragem ................................................................................................ 27 3.2.4.2 Ensaios Laboratoriais ........................................................................................... 28 3.2.5 3.3 CLASSIFICAÇÃO DE MACIÇOS ROCHOSOS ................................................................... 29 Classificação Geológica ....................................................................................... 29 3.3.1 Classificações Geomecânicas .............................................................................. 30 3.3.2 RQD.............................................................................................................. 30 3.3.2.1 RocK Mass Rating ........................................................................................ 31 3.3.2.2 Rock Tunneling Quality Index ...................................................................... 37 3.3.2.3 Relação entre o RMR e o Índice Q ....................................................................... 40 3.3.3 3.4 ESCAVABILIDADE ......................................................................................................... 41 Critérios de escavabilidade por Kirsten ............................................................... 41 3.4.1 Critérios de escavabilidade por Franklin ............................................................. 42 3.4.2 3.5 EMPOLAMENTO .......................................................................................................... 44 3.6 CONCLUSÃO ................................................................................................................ 46 4. METODOLOGIAS DE ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS ................................... 47 4.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 47 4.2 ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS COM O USO DE EXPLOSIVOS ................................................ 49 4.3 ESCAVAÇÃO MECÂNICA .............................................................................................. 51 Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis vi Por tuneladoras ................................................................................................... 51 4.3.1 Por equipamentos de “ataque pontual” ............................................................. 52 4.3.2 4.4 ABORDAGENS NA ESCAVAÇÃO DE UM TÚNEL ............................................................ 52 Desmonte por secção plena ................................................................................ 53 4.4.1 Abóboda e Soleira ............................................................................................... 53 4.4.2 Abertura de um túnel piloto ............................................................................... 54 4.4.3 4.5 CONCLUSÃO ................................................................................................................ 55 5. DIAGRAMA DE PEGA DE FOGO ........................................................ 57 5.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 57 5.2 CONSTRUÇÃO DE UM DIAGRAMA DE FOGO .............................................................. 61 Número de Furos ................................................................................................. 61 5.2.1 Comprimento da Pega de Fogo ........................................................................... 62 5.2.2 Avanço Real ......................................................................................................... 62 5.2.3 Cálculo dos diferentes furos ................................................................................ 65 5.2.4 5.3 EXPLOSIVOS ................................................................................................................. 66 Propriedades Explosivo ....................................................................................... 68 5.3.1 Principais explosivos existentes .......................................................................... 69 5.3.2 Explosivos gelatinosos ................................................................................. 70 5.3.2.1 ANFO ........................................................................................................... 70 5.3.2.2 ANFO Pesado ............................................................................................... 71 5.3.2.3 Emulsão ....................................................................................................... 72 5.3.2.4 Factores de escolha de explosivos ...................................................................... 72 5.3.3 5.4 DETONADORES ............................................................................................................ 73 Detonadores eléctricos ....................................................................................... 73 5.4.1 Detonadores não-eléctricos ................................................................................ 74 5.4.2 Detonadores electrónicos ................................................................................... 76 5.4.3 5.5 BOOSTER ..................................................................................................................... 76 5.6 CONCLUSÃO ................................................................................................................ 77 6. CICLO DE TRABALHO NA ESCAVAÇÃO DE UM TÚNEL ....................... 79 6.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 79 6.2 OPERAÇÃO DE MARCAÇÃO DA PEGA DE FOGO .......................................................... 83 6.3 OPERAÇÃO DE CHEGADA DO JUMBO À FRENTE ......................................................... 85 6.4 OPERAÇÃO DE PERFURAÇÃO ...................................................................................... 88 Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis vii Equipamentos e Regras de Perfuração ............................................................... 88 6.4.1 Jumbos de Perfuração ................................................................................. 88 6.4.1.1 Martelos ...................................................................................................... 90 6.4.1.2 Bits de perfuração ....................................................................................... 95 6.4.1.3 Hastes .......................................................................................................... 98 6.4.1.1 Durabilidade do Aço de Perfuração ............................................................ 99 6.4.1.2 Regras Básicas ........................................................................................... 100 6.4.1.3 Determinação do Tempo de Operação de Perfuração ..................................... 101 6.4.2 6.5 OPERAÇÃO DE CARREGAMENTO DA PEGA DE FOGO ............................................... 104 6.6 OPERAÇÃO DE LIGAÇÃO DA PEGA DE FOGO ............................................................. 109 6.7 OPERAÇÃO DE SAÍDA DOS OPERADORES E DISPARO DA PEGA DE FOGO ................ 113 Saída dos Operadores ....................................................................................... 113 6.7.1 Detonação da Pega de Fogo .............................................................................. 114 6.7.1 6.8 OPERAÇÃO DE VENTILAÇÃO ...................................................................................... 116 6.1 OPERAÇÃO DE SANEAMENTO ................................................................................... 121 6.2 OPERAÇÃO DE REMOÇÃO DO ESCOMBRO ............................................................... 124 Actividade Carga ................................................................................................ 126 6.2.1 Equipamentos de carga ............................................................................. 126 6.2.1.1 Ciclo Elementar de um Equipamento de Carga ......................................... 128 6.2.1.2 Duração da Actividade de Carga ............................................................... 133 6.2.1.3 Actividade de Transporte .................................................................................. 136 6.2.1 Equipamentos de Transporte .................................................................... 136 6.2.1.1 Ciclo Elementar de Transporte .................................................................. 137 6.2.1.2 Viagens dos equipamentos de transporte: abordagem científica ............ 141 6.2.1.3 Duração da Actividade de Transporte ....................................................... 146 6.2.1.4 Nichos: influência na Operação de Remoção do escombro ............................. 151 6.2.2 Determinação temporal das Operações de Remoção utilizando Nichos .. 154 6.2.2.1 Operação de Limpeza da Frente ............................................................. 155 6.2.2.1.1 Operação de Limpeza do Nicho .............................................................. 159 6.2.2.1.1 6.3 DURAÇÃO DE UM CICLO DE TRABALHO .................................................................... 163 Duração de Um Ciclo de Trabalho Sem a Utilização de Nichos......................... 163 6.3.1 Duração de um Ciclo de Trabalho com a Utilização de Nichos ......................... 169 6.3.2 7. DURAÇÃO DE UM PROJECTO ......................................................... 177 Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis xiv TABELA 30 – CLASSIFICAÇÃO DAS OPERAÇÕES QUANDO O TEMPO DE REMOÇÃO É INFERIOR AO TEMPO DE TRANSPORTE ......................................................................................................................... 167 TABELA 31 – RESUMO DAS DIFERENTES COMBINAÇÕES DAS OPERAÇÕES DE UM CICLO DE TRABALHO ........... 168 TABELA 32 – CLASSIFICAÇÃO DAS OPERAÇÕES QUANDO O TEMPO DE CARGA DO NICHO É SUPERIOR AO TEMPO DE TRANSPORTE ..................................................................................................................... 170 TABELA 33 – CLASSIFICAÇÃO DAS OPERAÇÕES QUANDO O TEMPO DE CARGA DO NICHO É INFERIOR AO TEMPO DE TRANSPORTE ......................................................................................................................... 170 TABELA 34 – CLASSIFICAÇÃO DAS OPERAÇÕES QUANDO NÃO SÃO UTILIZADOS EQUIPAMENTOS DE REMOÇÃO EXTRA .................................................................................................................................. 171 TABELA 35 – CLASSIFICAÇÃO DAS OPERAÇÕES QUANDO SÃO UTILIZADOS EQUIPAMENTOS DE CARGA E O TEMPO DE LIMPEZA DA FRENTE E DAS OUTRAS OPERAÇÕES É SUPERIOR AO TEMPO ODE LIMPEZA DO NICHO .... 172 TABELA 36 - CLASSIFICAÇÃO DAS OPERAÇÕES QUANDO SÃO UTILIZADOS EQUIPAMENTOS DE CARGA E O TEMPO DE LIMPEZA DA FRENTE E DAS OUTRAS OPERAÇÕES É INFERIOR AO TEMPO ODE LIMPEZA DO NICHO ..... 173 TABELA 37 – RESUMO DAS DIFERENTES COMBINAÇÕES DAS OPERAÇÕES DE UM CICLO DE TRABALHO QUANDO UTILIZADOS NICHOS ................................................................................................................ 174 TABELA 38 - RELAÇÃO ENTRE AS CLASSES DE RMR, A PERCENTAGEM DE AVANÇO E AS EXPRESSÕES PARA DETERMINAR O AVANÇO EM CADA TRAMO ................................................................................. 189 TABELA 39 – VELOCIDADES DE PERFURAÇÃO, EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA DO MARTELO E DA DUREZA DA ROCHA ........................................................................................................................................... 189 TABELA 40 – POSSÍVEIS METODOLOGIAS DE CARREGAMENTO DE EXPLOSIVO E AS SUAS RESPECTIVAS VELOCIDADES ........................................................................................................................ 194 TABELA 41 – RELAÇÃO ENTRE O TIPO DE DETONADORES UTILIZADOS E A SUA VELOCIDADE DE LIGAÇÃO ........ 196 TABELA 42 – TEMPO ADMITIDOS PARA CADA UM DOS MOVIMENTOS DO CICLO ELEMENTAR DE CARGA, DE UMA PÁ CARREGADORA .................................................................................................................. 198 TABELA 43 – TEMPO DO MOVIMENTO DE DESCARGA, DO CICLO ELEMENTAR DE TRANSPORTE, DE UM CAMIÃO ........................................................................................................................................... 199 TABELA 44– TEMPO DE ALGUNS MOVIMENTOS CICLO ELEMENTAR DE CARGA DA FRENTE ........................... 201 TABELA 45 – VELOCIDADES DE DESLOCAÇÃO ADMITIDAS PARA UNIDADES DE CARGA ................................. 201 TABELA 46 – TEMPO DOS MOVIMENTOS DO CICLO ELEMENTAR DE CARGA DO NICHO ................................ 203 TABELA 47 – TEMPO DO MOVIMENTO DE DESCARGA, DO CICLO ELEMENTAR DE TRANSPORTE DO NICHO ...... 204 TABELA 48 – VALORES DE DURABILIDADE ADMITIDOS PARA UMA DOS INSTRUMENTOS ADMITIDOS COMO AÇO DE PERFURAÇÃO ......................................................................................................................... 209 TABELA 49 – CARACTERÍSTICAS DO PROJECTO DO EXEMPLO 1 ............................................................... 214 TABELA 50 - CLASSIFICAÇÃO DO RQD, SEGUNDO O ÍNDICE Q, PARA UM MACIÇO ROCHOSO ....................... 225 TABELA 51- CLASSIFICAÇÃO DO GRAU DE ALTERAÇÃO OU DE PREENCHIMENTO DAS DESCONTINUIDADES, SEGUNDO O ÍNDICE Q ............................................................................................................. 225 TABELA 52- CLASSIFICAÇÃO DO NÚMERO DE FAMÍLIAS DE DESCONTINUIDADES, SEGUNDO O ÍNDICE Q, PARA UM MACIÇO ROCHOSO ................................................................................................................. 226 TABELA 53- CLASSIFICAÇÃO DA RUGOSIDADE DAS DESCONTINUIDADES, SEGUNDO O ÍNDICE Q, PARA UM MACIÇO ROCHOSO ............................................................................................................................. 226 TABELA 54- CLASSIFICAÇÃO DO ESTADO DE TENSÃO, SEGUNDO O ÍNDICE Q, PARA UM MACIÇO ROCHOSO .... 227 TABELA 55- CLASSIFICAÇÃO DA PRESENÇA DE ÁGUA, SEGUNDO O ÍNDICE Q, PARA UM MACIÇO ROCHOSO .... 228 Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 15 1. INTRODUÇÃO 1.1 ENQUADRAMENTO E OBJECTIVOS Na actualidade, a escavação de um túnel envolve, ainda antes do início da sua escavação, um grande consumo de tempo no seu estudo, análise e previsão, para que toda a sua escavação e construção seja rigorosamente pensada e planeada. As exigências no estudo e previsão de todos os trabalhos e operações envoltos na construção de túneis atingem, na maioria das vezes, patamares tão altos como os próprios trabalho de construção em si, devido à grande importância que estas estruturas possam ter, aos riscos que poderão acarretar e aos seus custos, que poderão ser de grande relevância, dependendo do projecto. A escavação de túneis, sem um intensivo estudo e previsão da evolução do projecto poderá ser considerada uma “baleia branca” na actualidade, principalmente nos países mais desenvolvidos. Pois a escavação de um túnel, sem ser baseada em informações e dados previamente obtidos, e com a sua respectiva análise, foi esquecida no passado, com o intuito de aumentar os níveis de eficiência e de segurança de todo o projecto, bem como reduzir os tempos de duração do projecto e os seus custos. Ao nível da sociedade, principalmente para os grandes empreiteiros especialistas na escavação de túneis, o conhecimento prévio sobre o tempo que demorará a ser aberto um túnel, entre outras previsões, é essencial para a execução do projecto, pois permitirá que molde as características do seu trabalho às exigências do projecto ou até que o rejeite, pois poderá não possuir as condições para o realizar. Para tal uma previsão de qualidade do tempo de duração do projecto e dos custos acarretados é importantíssimo, pois será a base de comparação e decisão de muitos projectos. Sendo os túneis estruturas delicadas e complexos, não é descabido supor que a previsão de determinados parâmetros da sua escavação partilha dessa complexidade, considerando as diferentes metodologias e variáveis, principalmente ao nível das operações, que influenciaram todo o projecto. Logo, para uma previsão de qualidade, tal como preferido, é necessário um estudo pormenorizado de todas estas variáveis, principalmente quanto a sua influência no projecto e nas previsões desejadas. Desta forma, devido à importância dos túneis para a sociedade e aos custos envolvidos na sua construção, surgem como relevantes os estudos de previsão, foco central desta dissertação. Pelo exposto, o objectivo desta dissertação é a criação de um utilitário informático que permita a estimação de parâmetros na escavação de túneis. O utilitário informático proposto pretende contribuir para os processos de optimização dos trabalhos de escavação de túneis, optimização essa de que nenhum projecto de engenharia actual poderá prescindir. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 16 1.2 METODOLOGIA Devido à natureza desta dissertação, pois é constituída por uma parte teórica e por uma parte de aplicação pratica, sob a forma de criação de um utilitário informático, foi escolhida uma metodologia específica que permitisse uma maior produtividade e eficiência na sua elaboração. Na primeira parte deste trabalho, o principal objectivo foi o estudo teórico de todos os temas relacionados com o trabalho, seja baseado em bibliografia ou em diálogos com pessoas conhecedoras e especialistas na matéria. Após a obtenção e tratamento da informação essencial para o utilitário, deu-se a sua construção, sempre baseado no estudo teórico, de forma a realizar permanentes validações dos resultados obtidos da sua aplicação a situações concretas. Desta forma podemos então resumir a metodologia de construção da dissertação nos três seguintes processos: estudo teórico dos aspectos relacionados com os aspectos de escavação de um túnel, tradução do estudo teórico para uma linguagem matemática e construção do utilitário de estimação, fundamentado nas expressões matemáticas previamente criadas. 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO Para este trabalho, foram definidos alguns objectivos de estudo para que no seu final se tornasse possível realizar a construção de um utilitário informático, vulgarmente definido como software, que permitisse a estimação de diferentes características de um projecto de escavação de túnel. Numa primeira fase foi definido que a previsão da duração temporal do projecto seria o principal objectivo do utilitário, todavia, sem que seja retira a importância a esta previsão, rapidamente se percebeu que a previsão de outras características, com uma forte ligação à duração do projecto, poderia ser realizada, enriquecendo assim o software e oferecendo mais informações fulcrais ao seu utilizador. Para além da referida previsão da duração do projecto, o software apresentado poderá prever, entre outros parâmetros, os metros perfurados, o volume de material rochoso desmontado, as distancias percorridas pelos equipamentos de transporte, durante todo o projecto. Logicamente, o utilitário não poderia ser construído sem uma forte base teórica, que fundamentasse todas as suas previsões. Tal base é constituída por um estudo extensivo sobre as principais características e parâmetros, do projecto, que serão relevantes para a sua estimação. Destas características é de salientar, o maciço rochoso em que será construído o túnel, a metodologia de escavação do túnel e todas as operações necessárias para que este Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 17 seja aberto. Sendo assim, ao longo deste trabalho, antes de ser apresentado o utilitário informático mencionado, serão referidas e estudadas as principias características levadas em conta para a construção do software, com o objectivo de justificar cada operação feita por este, bem como simplificar a sua compreensão. Inicialmente, de forma a realizar uma breve apresentação sobre a evolução dos túneis, ao longo dos tempos, será feito um pequeno enquadramento histórico. Seguidamente será realçada a importância das características dos maciços rochosos, cruciais para a escavação de túneis, tal como as técnicas de investigação e caracterização aplicadas pelo Homem. Findado o capítulo referente a investigação e estudo do maciço rochoso, será iniciado o estudo dos métodos de escavação de túneis, com principal foco para o método de Perfuração e Detonação. Mais tarde, sempre em relação a este método de escavação, devido a ser este o único método de foco a dissertação, serão desenvolvidos os conceitos e parâmetros de um diagrama de uma pega de fogo, por ser central, de todo o processo de escavação de um túnel. No capítulo seguinte será estudado o ciclo de trabalho, constituinte de um projecto de escavação de túneis, e as suas operações constituintes. Este capítulo será alvo de uma relevante pormenorização, devido à extrema importância de cada uma das operações para todo o projecto e, evidentemente, para a sua previsão. O estudo de cada uma das operações, constituintes do ciclo de trabalho, terá como finalidade a sua tradução, principalmente a nível temporal, para uma linguagem matemática, com o propósito de podere ser introduzidas no utilitário proposto. Finalmente, antes da apresentação e estudo do software, será estudada a relação entre o ciclo de trabalho e o seu projecto, com o principal objectivo de entender como poderá ser realizada uma previsão da duração temporal de um projecto baseada no tempo de duração de um dos seus ciclos de trabalho. Como referido, terminado o estudo de todos os fundamentos essências para sustentar o software, será realizada a sua apresentação, sendo este estudo dividido nos três seguintes grupos: inputs, processo e outputs. Apresentado o utilitário proposto serão apresentados dois exemplos práticos da sua utilização. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 18 Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 19 2. ENQUADRAMENTO HISTÓRICO Um túnel, como referido no Grande dicionário da língua Portuguesa, da Grande Biblioteca Multilingue, é uma “Passagem subterrânea que se abre através de montanhas, por baixo de um rio, de um caminho, etc.”. O principal propósito de um túnel é levar algo, podendo ser o Homem, de um determinado ponto a outro, de uma forma mais rápida, confortável e/ou segura, ultrapassando assim obstáculos que se encontram na nossa trajectória, tais como montanhas, rios e caminhos. Este objectivo está em muito ligado às linhas de comunicação e transportes, para veículos motorizados ou comboios. Para além deste objectivo, um túnel poderá permitir o contacto com determinada estrutura que exista no subsolo, como uma estrutura geológica que desejamos explorar. Este tipo do túnel está fortemente ligado à exploração mineira, especificamente à exploração subterrânea. Para além destas, a utilização de túneis com a finalidade de realiza o desvio e transporte de água é há muitos anos conhecida. Para além dos objectivos que cada túnel poderá ter, estes podem apresentar grandes diferenças. Além das suas geometrias e tamanhos, a forma como são abertos e os “acabamentos finais” variam muito, dependendo do tipo de túnel que desejamos, do tipo de maciço rochoso em que estamos a trabalhar e da tecnologia e recursos utilizados. Tal como a evolução do Homem, a evolução dos túneis tem acontecido, apoiando-se no constante crescimento do conhecimento, da ciência e da técnica. Desde muito cedo, nas civilizações mais antigas, a criação de túneis, de pequenas dimensões era essencial para a irrigação de campos e plantações. Na Figura 1 podemos observar um exemplo dessa utilização dos túneis, nomeadamente, um aqueduto romano, que tem como função permitir o transporte de água entre as piscinas de Salomão e Jerusalém. Figura 1 – Interior de um aqueduto romano, que liga as Piscinas de Salomão a Jerusalém (http://ciencia.hsw.uol.com.br/tunel1.htm) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 20 Registos referem que o primeiro túnel para passagem automóvel foi construído em 1707, na Suíça, e que apresentava um comprimento de aproximadamente 61 metros. Enquanto o primeiro túnel, com o objectivo de servir de passagem a uma linha férrea é datado do ano de 1800, estando localizado em Derby, no Reino Unido. Sem o apoio da tecnologia actual, que trouxe vários equipamentos e ferramentas que melhoraram a eficiência e a segurança de todo o trabalho, no passado os túneis eram realizados de uma forma muito rudimentar, tal como observado na Figura 2. Figura 2 – Trabalhos de escavação de um túnel em Sauderton, em 1902 (http://www.forgottenrelics.co.uk/tunnels/construction/overview.html) Como podemos constatar desde muito cedo a escavação de túneis, com o propósito de ajudar o Homem, nos acompanha, levando cada vez mais a uma crescente aprendizagem e evolução. Os primeiros túneis, referidos atrás, foram os impulsionadores de grandes obras subterrâneas que permitiram ligações nunca imaginadas, tais como acontecem com o Eurotúnel (Canal da Mancha), um túnel de 50.5 quilómetros, e que liga a cidade de Cheriton em Inglaterra à cidade de Coquelles, em França, passando por baixo do Canal da Mancha, como observado na Figura 3. Dos 50.5 quilómetros deste túnel, 37.9 quilómetros encontram-se debaixo do mar, a uma profundidade média de 45.7 metros abaixo do fundo do canal. O Eurotúnel é constituído por três túneis, que permitem o transporte de passageiros, de veículos e de cargas. Na Figura 4, podemos observar alguns dos trabalhos realizados para construir este túnel, percebendo-se toda a complexidade do processo e a evolução dos equipamentos e operações. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 21 Figura 3 – Representação do Eurotúnel, ligando a Inglaterra a França (http://www.dailymail.co.uk/travel/article-2418496/Eurotunnel-offer-scenes-tours-weekend.html) Figura 4 – Trabalhos de construção do Eurotúnel (http://mosttutorials.blogspot.pt/2011/02/channel-tunnel.html) Para além do Eurotúnel, é de salientar o Túnel Laerdals, localizado na Noruega, e que realiza a ligação entre a cidade de Laerdals e a cidade de Aurland. Este túnel, finalizado em 2000, demorou aproximadamente 5 anos a ser concluído, e é considerado o túnel rodoviário mais longo do mundo, com aproximadamente 24,5 quilómetros, como observado na Figura 5, superando o túnel Gotthard por cerca de 8 quilómetros. Para a construção deste túnel, estimam-se que foram removidos 2.500.000 metros cúbicos de material rochoso, sendo que o túnel foi dividido em quatro secções ao longo de toda a sua extensão, sendo que a separar cada uma das secções foram construídas grandes cavernas, como visualizado na Figura 6, que possibilitam a paragens dos condutores, tanto para descansar como para contemplar a vista. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 22 Figura 5 – Entrada do Túnel Laerdal, com a informação da sua extensão (http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=392512&page=5) Figura 6 – Uma das cavernas de paragem do túnel Laerdal (http://en.wikipedia.org/wiki/L%C3%A6rdal_Tunnel#mediaviewer/File:Laerdalstunnel_cave.jpg) Para uma constante evolução dos túneis e da sua construção, grandes estudos e investigações foram necessárias, para que fosse possível a passagem de um pequeno túnel de alguns metros para um túnel de vários quilómetros sobre o fundo do mar. Essa grande evolução deu-se tanto nas técnicas de construção como nas técnicas de estudo do maciço rochoso em causa. A especialização do conhecimento nesta área, a constante investigação em técnicas de escavação de túneis, de equipamentos e ferramentas, mais recentes e mais especializados estudos de geologia, hidrogeologia apoiaram a referida evolução. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 23 3. INVESTIGAÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DE MACIÇOS ROCHOSOS 3.1 INTRODUÇÃO Em projectos ligados à Engenharia de Minas e à Geoengenharia, devido às suas relações inseparáveis com as rochas, solo e terreno, é de extrema importância um conhecimento vasto sobre a geologia do local. Para a aquisição deste vasto conhecimento, diferentes estudos e testes são realizados no maciço rochoso onde se vão realizar as escavações, para a implantação de infra-estruturas úteis à sociedade, de forma a caracterizar geologicamente os maciços rochosos. O Homem e o seu projecto, terão de se adaptar às condições e características geológicas presentes, pois estas não são alteradas consoante se deseje. A geologia do local poderá obrigar a alterações no projecto desejado, que poderão passar por pormenores, como a sua duração, até mesmo à mudança de localização. Quanto maior for o conhecimento que se possua sobre determinado maciço rochoso, melhor será a projecção do projecto desejado, levando em conta todas as condicionantes geológicas. Para a obtenção dessa informação vital, sobre o maciço rochoso, o Homem tem apresentado e aprimorado várias metodologias de estudos, divididas em variáveis tipos de ensaios, que permitem recolher diferentes informações e parâmetros sobre o maciço rochoso em estudo. Com estas informações recolhidas, pelo intensivo estudo do maciço rochoso, vários autores tem apresentado diferentes formas de classificar os maciços rochosos, com o objectivo de torna-los facilmente compreendidos, numa visão da engenharia, em qualquer parte do globo. 3.2 INVESTIGAÇÃO DE MACIÇOS ROCHOSOS A investigação de maciços rochosos tem como principal função estudar e obter informações importantes, para um determinado projecto, sobre este. As informações sobre um maciço rochoso apresentam-se em grande número e em várias naturezas, sendo para tal necessário variados tipos de estudo para que as informações essenciais sobre o maciço sejam recolhidas. As principais informações a serem obtidas são: geologia, geotecnia, hidrologia e hidrogeologia, mineralogia e composição química. Como referido, as informações e dados a serem obtidos apresentam diferentes naturezas e propriedades, o que torna complexo a sua investigação. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 30 ao número de famílias de fracturas são realizados, de forma a completar as informações já obtidas. Classificações Geomecânicas 3.3.2 Conhecidas as características geologias e geotécnicas de um determinado maciço rochoso, pode tornar-se difícil a classificação deste, baseado nas suas características, ao nível da suas capacidades de engenharia. Neste caso se o maciço é adequado para “receber” um túnel. Vários autores ao longo dos tempos, acompanhado pela evolução tecnologia dos estudos geológicas e geotécnicos, tem apresentado várias classificações para maciços rochosos (Rock Mass Classification). Uma das primeiras classificações de massas rochosas apareceu no ano de 1879, apresentado por RiItter, que na sua primeira tentativa de classificar maciços, interligou as características de determinado maciço, com a construção de túneis e com os suportes que teriam de ser realizados. A partir dessa primeira classificação de Riltter, várias outras classificações aparecerem, entre elas as de Terzaghi (1946), Wickham (1972), Rocha (1976) e de Hoek (inicialmente em 1994), baseadas em estudos e projecto previamente realizados, que serviam de base de dados de informação. Para além das previamente referidas será dado um principal enfase ao RQD, de Deere, ao RMR, apresentado por Bieniawski, e ao Índice Q, de Barton et al. RQD 3.3.2.1 Um dos testes mais conhecido mundialmente, devido a sua simplicidade e expressão, é o RQD, Rock Quality Designation Index, que durante muitos anos, era utilizado como um classificador de maciços rochosos, mas que no presente, devido às exigências de conhecimento do maciço, é um dos componentes das classificações existentes, estando presente na maioria das classificações utilizadas mundialmente. Como tal, devido a sua preponderância nas classificações de massas rochosos, é importante um estudo deste ensaio. O RQD, foi apresentado inicialmente em 1964, por Deere, que relacionou as condições de logs de sondagem, realizados no maciço, com as suas características. Para tornar o RQD um ensaio mais fidedigno, Deere, definiu que o valor deste ensaio seria similar à percentagem de material rochoso intacto, com um comprimento superior a 10 centímetros, presente em todo o comprimento do log de sondagem. Na Figura 8 podemos observar a exemplificação de um teste RQD, em eu se determina o valor do índice do log de sondagem representado. Deere aconselhou também, de forma a tornar o resultado uniforme, reduzindo as discrepâncias de valores de ensaios para ensaio, que a extracção do log de sondagem deveria ser realizada por um cabeça de corte, com tubo duplo, e que o diâmetro do log deveria ser no mínimo de 54.7 milímetros. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 31 O principal objectivo do RQD, é representar a qualidade do maciço rochoso in situ, isto é, nas suas condições originais, desta forma, na contabilização das descontinuidades do log de sondagem, devera ser realizada uma observação minuciosa, para não serem confundidas descontinuidades existentes no maciço com descontinuidades criadas pelo processo de perfuração, devendo estas últimas de serem ignoradas. Figura 8 – Exemplificação de um ensaio RQD e da sua quantificação prévia (David Chapman, 2010) Em conclusão do índice RQD, é de referir que apesar da importante informação fornecida por este, a sua aplicação é bastante limita, não sendo utilizado como o único meio de caracterização de um maciço, pois apesar de realização uma caracterização muito boa das fracturas, existem outras estruturas geológicas, como a xistosidade e a estratificação, que influenciam o comportamento do maciço e que não são tomados em conta. RocK Mass Rating 3.3.2.2 O Rock Mass Rating, ou simplesmente RMR, foi apresentado pela primeira vez 1973 por Bieniawski, tendo sido, até hoje, constantemente alterado e refinado, servindo até mesmo de base para outras classificações que apareceram. O RMR é uma das classificações mas disseminadas pelo Mundo, sendo a versão de 1989, também apresentada pelo seu criador, a mais utilizada. Uma das grandes vantagens do sistema RMR, é a simplicidade, graças aos poucos parâmetros (geométricos e mecânicos) do maciço rochoso que são utilizados. Sendo Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 32 outra a sua fiabilidade, comparativamente com classificações baseadas apenas num parâmetro, como o RQD. Os parâmetros levados em conta são:  Resistência à compressão uniaxial do material rocha  Rock Quality Designation  Espaçamento das descontinuidades  Condição das descontinuidades  Caudal de água percolada  Orientação das descontinuidades Desta forma para aplicação do RMR num determinado maciço, deverão ser caracterizadas e determinados este parâmetros, contudo, esta tarefa poderá torna-se difícil, caso o maciço em estudo seja muito extenso e heterogéneo, apresentando várias geologias e características mecânicas ao longo da sua estrutura. Então, para uma melhor aplicação da classificação RMR é aconselhável a divisão do maciço em zonas geológicas. Esta divisão, com o propósito de ser facilitada, é efectuada coincidindo os contornos das zonas geológicas com as principais falhas ou mudanças de tipo de rocha, sendo que por vezes, até mesmo zonas geológicas, devido à grande variedade das suas características, necessitam de mais divisões, para permitir uma melhor classificação do maciço. A classificação RMR, propriamente dita, baseasse nos seis parâmetros referido precedentemente, em que para cada um dos parâmetros, Bieniawski, apresentou diferentes características, que levarão a diferentes “pesos”, com o propósito de quantificar cada parâmetro da classificação, sendo que no seu final, o somatório dos pesos será considerado como o resultado da classificação RMR. Seguidamente, são apresentadas as diferentes características definidas pelo autor, para os seis parâmetros apresentados, sendo visível também os “pesos” de cada uma delas.  Resistência da Rocha Intacta Tabela 4 – Classificação da Resistência da rocha intacta, segundo o RMR, para um maciço rochoso Resistência da rocha intacta Resistência de Ponta > 10 MPa 4-10 MPa 2-4 MPa 1-2 MPa Ver compressão axial Compressão uniaxial > 250 MPa 100-250 MPa 50-100 MPa 25-50 MPa 5-25 MPa 1-5 MPa < 1 MPa Pesos 15 12 7 4 2 1 0 Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 33  RQD Tabela 5 – Classificação do RQD, segundo o RMR, para um maciço rochoso R.Q.D. 90-100 % 75-90 % 50-75 % 25-50 % < 25 % Pesos 20 17 13 8 3  Espaçamento das Descontinuidades Tabela 6 - Classificação do Espaçamento das descontinuidades, segundo o RMR, para um maciço rochoso Espaçamento das descontinuidades > 2 m 0,6-2 m 200-600 mm 60-200 mm < 60 mm Pesos 20 15 10 8 5  Condição das Descontinuidades Para este parâmetro, uma de duas tabelas poderão ser utilizadas, para a sua caracterização. Caso a informação sobre as descontinuidades seja diminuta, deverá ser utilizada a primeira tabela, contudo caso se esteja no poder sobre bastante informação sobre as descontinuidades, deverá ser utilizada a segunda tabela, que levará a uma melhor caracterização, e precedente quantificação, do parâmetro. As descontinuidades são bastante importantes para o maciço rochoso, pois influenciam a sua deformabilidade, permeabilidade e resistência ao corte. Tabela 7 - Classificação da condição das descontinuidades, segundo o RMR, para um maciço rochoso, caso a informação seja reduzida Condição das descontinuidades Superfícies muito rugosas, não contínuas, sem separação, paredes de rocha não alteradas Superfícies ligeiramente rugosas, separação < 1 mm, paredes ligeiramente alteradas Superfícies ligeiramente rugosas, separação < 1 mm, paredes muito alteradas Superfícies polidas ou com enchimento com espessura < 5 mm ou juntas contínuas com separação 1- 5 m Enchimento mole com espessura > 5 mm ou juntas contínuas com separação > 5 mm Pesos 30 25 20 10 0 Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 34 Tabela 8 - Classificação da condição das descontinuidades, segundo o RMR, para um maciço rochoso, caso a informação seja vasta Comprimento da descontinuidade (persistência) < 1 m 1-3 m 3-10 m 10-20 m > 20 m Pesos 6 4 2 1 0 Separação (abertura) Nenhuma < 0,1 mm 0,1-1 mm 1-5 mm > 5 mm Pesos 6 5 4 1 0 Rugosidade Muito rugoso Rugoso Ligeiramente rugoso Quase liso Liso Pesos 6 5 3 1 0 Enchimento Nenhum Duro com espessura < 5 mm Duro com espessura > 5 mm Mole com espessura < 5 mm Mole com espessura > 5 mm Pesos 6 4 2 2 0 Grau de alteração Não alteradas Ligeiramente alteradas Moderadamente alteradas Muito alteradas Em decomposição Pesos 6 5 3 1 0  Presença de Água De todos os parâmetros contabilizados pelo RMR, as condições de presença de água, é um dos mais relevantes para projectos de escavação de túneis e para esta dissertação. Como referido os estudos hidrológicos e hidrogeólogos são extremamente importantes para projectos subterrâneos, como a escavação de túneis. A presença de água pode influenciar as várias operações de trabalho, fundamentalmente numa perspectiva negativa, pois obrigam a trabalhos mais cuidados, lentos e geralmente mais dispendiosos. Desta forma, devido à importância da hidrologia e hidrologia do maciço rochoso, este parâmetro do RMR tem uma relevância elevada, pois possibilita que estas condições influenciem directamente o projecto. Tabela 9 - Classificação da presença de água, segundo o RMR, para um maciço rochoso Presença de Água Caudal por 10m de comprimento do túnel Nenhum < 10 L/min 10-25 L/min 25-125 L/min > 125 L/min Relação pressão da água vs tensão principal máxima 0 < 0,1 0,1-0,2 0,2-0,5 > 0,5 Condições gerais Completamente seco Água intersticial Húmido Escorrimentos Entrada de água Pesos 15 10 7 4 0 Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 35  Orientação das Descontinuidades Dos parâmetros constituintes do RMR, a “Orientação das Descontinuidades” é aquela que nos poderá fornecer um “peso” negativo. Sendo também, uma das que mais dificuldade poderá apresentar na sua caracterização. A orientação das descontinuidades, para se evitarem erros de caracterização, foi definida universalmente, como a orientação do “strike” do plano destas. Na Figura 9 é-se possível observar dois caos distintos, em que no primeiro o plano das descontinuidades se encontra a favor da escavação, e em que no segundo caso ocorre o oposto, sendo o plano de falhas contra a escavação. Logicamente, um maciço rochoso, nestas duas diferentes situações, apresentara classificações, neste parâmetro, diferentes. Para além da orientação das descontinuidades, não deverão ser esquecidas outras características geotécnicas destas, como a amplitude, o eventual preenchimento e as características das paredes, em caso de não existir preenchimento. Figura 9 – Representação das possíveis relações entre a orientação das descontinuidades e a direcção de escavação de um túnel Descontinuidades a favor da escavação do túnel Descontinuidades contra a escavação do túnel Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 36 Tabela 10 - Classificação da orientação das descontinuidades, segundo o RMR, para um maciço rochoso Direcção perpendicular ao eixo do túnel Direcção paralela ao eixo do túnel Inclinação 0-20º Abertura do túnel no sentido da inclinação Abertura do túnel no sentido inverso da inclinação Inclinação 45-90˚ Inclinação 20-45 ˚ Inclinação 45-90 ˚ Inclinação 20-45 ˚ Inclinação 45- 90 ˚ Inclinação 20-45 ˚ Muito favorável Favorável Razoável Desfavorável Muito desfavorável Razoável Razoável Orientação das descontinuidades Muito favorável Favorável Razoável Desfavorável Muito desfavorável Pesos Túneis e minas 0 -2 -5 -10 -12 Fundações 0 -2 -7 -15 -25 Taludes 0 -5 -25 -50 -60 Determinados todos os parâmetros da classificação RMR e realizada a sua “pesagem” é efectuada a soma de todos esses pesos, sendo o seu total que nos indicará a que classe o maciço rochoso em estudo irá pertencer. Bieniawski, apresentou na sua classificação, cinco classes, em que determinado maciço ou zona geológica poderá se localizar, sendo que cada uma dessas classes apresenta as suas características ao nível do tempo médio de sustentação sem suporte quando escavado, da coesão e do ângulo de atrito. Tabela 11 – Classificação RMR: classes, descrição, tempo médio de sustentação, coesão e ângulo de atrito Peso Global 100 - 81 80 - 61 60 - 41 40 – 21 <21 Classe I II III IV V Descrição Muito Bom Bom Razoável Fraco Muito Fraco Tempo médio sustentação sem suporte 20 anos para 15 m de vão 1 ano para 10 m de vão 1 semana para 5 m de vão 10 horas para 2,5 m de vão 30 minutos para 1 m de vão Coesão (KPa) >400 300 - 400 200 - 300 100 - 200 < 100 Angulo atrito (⁰) > 45 35 - 45 25 - 35 15 – 25 < 15 Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 37 Como observável, de todas as classes apresentadas, a mais desejada e preferível para projecto da de escavação de maciços rochosos, no nosso caso de túneis, é a classe I, pois desta forma o “nosso” maciço apresentaria condições muito boas, principalmente ao nível do seu suporte, evitando, teoricamente, grandes métodos de sustimento. Por curiosidade, outras classificações baseadas no RMR de Bieniawski são o MRMR, ou Modified Rock Mass Rating, de Laubsher, que se foca principalmente nas no stress in-situ provocado, no maciço, pelo rebentamento de explosivos e pela meteorização. O Slope Mass Rating, SMR, criado por Roma, é também uma das evoluções do RMR, sendo esta classificação voltada para a estabilidade e caracterização ode taludes. Rock Tunneling Quality Index 3.3.2.3 O Índice Q, expressão mais simples para designar o Rock Tunneling Quality Index, é uma das classificações geomecânicas mais utilizadas no Mundo, criada por Barton et al. e seus companheiros, no ano de 1974, na Noruega. Tal como o RMR, baseia-se na classificação quantitativa de vários parâmetros do maciço rochoso, sendo neste caso os seguintes:  RQD  Número de famílias de fracturas,  Rugosidade da descontinuidade/fractura mais desfavorável,  Grau de alteração ou de preenchimento das fracturas,  Presença de água,  Estado de tensão, As tabelas apresentadas por Barton, para cada parâmetro, com as diferentes condições possíveis e os respectivos índices, podem ser observadas em anexo. Nomeadamente as Tabelas 50, 51, 52, 53, 54 e 55, em anexo. Depois de caracterizados todos os parâmetros e obtidos os índices correspondentes torna-se mais simples a classificação do maciço pelo índice Q, aplicando-se a Equação 1, para obtermos a representação quantiava-a dessa classificação. ( Eq. 1 ) Barton ao constituir esta expressão por três quocientes. Pretende de uma forma simples representar três parâmeros do maciço em estudo. O quociente ( representa a relação das dimensões dos blocos/partículas, o a força de cisalhamento intra-blocos e o quociente o stress activo (“active stress”). Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 38 Tal como acontece e observado na classificação RMR, Barton, permite obter, juntamente com a classificação do maciço rochoso, informações sobre o nível e a intensidade do sustimento a ser aplicado na escavação de túneis, dependendo das características do maciço rochoso. Para se obter esta informação, é necessário a determinação de um parâmetro designado de Dimensão Equivalente (“Equivalent DImension”), que relaciona as dimensões da escavação (túnel) e o factor ESR, Excavation Support Ratio, que é fornecido por Barton, devendo o valor do índice corresponder às características da escavação em causa. Tabela 12 – Relação entre o ESR e o tipo de escavação a ser realizada Categoria da escavação ESR A Aberturas mineiras temporárias 3 – 5 B Aberturas mineiras permanentes, túneis de passagem de água (excluindo de alta pressão), túneis piloto ou de desvio, escavações superiores de grandes cavidades 1.6 C ETA, túneis rodoferroviários pequenos, tuneis de acesso, locais de armazenamento 1.3 D Centrais subterrâneas, túneis rodoferroviários grandes, bocas de entrada, abrigos de defesa 1.0 E Centrais nucleares subterrâneas, estações ferroviárias, fabricas, instalações públicas ou desportivas 0.8 Conhecendo-se o valor ESR e as dimensões a escavação, é necessário a Equação 2 para determinar a Dimensão Equivalente. ( Eq. 2 ) Com o valor do parâmetro Dimensão Equivalente e o valor do Índice Q do maciço rochoso em causa, podermos obter informações sobre o sustimento e as medidas de contenção a aplicar no nosso projecto, segundo Barton, através da seguinte tabela: Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 39 Figura 10 – Classes segundo o Índice Q, apresentado por Barton (Grimstad e Barton, 1993) Como foi possível visualizar, as classificações geomecânicas apresentam uma grande utilidade para a caracterização dos maciços rochosos onde se irá realizar os trabalhos. As classificações basearem-se na quantificação de vários parâmetros facilmente observáveis, não exigindo grandes tecnologias e equipamentos, podendo, desta forma, ser aplicadas a nível mundial. Estas características tornam as classificações de fácil compreensão e universais, pois determinado valor de RMR ou do Índice Q, terá o mesmo significado em qualquer parte do Mundo. Para além destas vantagens, a previsão do tipo de sustimento e de medidas de suporte bem como das suas intensidades de aplicação, baseadas nas características do maciço rochoso, torna-se um grande aliado para a previsão dos projectos de construção. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 46 Como podemos observar pelo exemplo anterior, existe uma diferença significativa entre o volume teórico e o real, que senão é levada em conta poderá originar grandes problemas num projecto. 3.6 CONCLUSÃO Como podemos observar, a informação sobre o maciço rochoso é extremamente importante para projecto como a escavação de túneis, pois este será o local de trabalho. A obtenção das informações necessárias pode ser realizada através de vários métodos de investigação, seja insitu ou em laboratório, servindo de base para o estudo e caracterização do maciço. Para a sua classificação, podemos observar que existe várias classificações, apresentado por diversos autores, como a classificação geológica e a classificação geomecânica, sendo esta ultima constituída por diversas classificações, de autorias diferentes, sendo as mais relevantes o RMR e o Índice Q. Para além de classificação do maciço, segundo as diferentes metodologias, o conhecimento sobre as características de escavabilidade e empolamento, do maciço, são essenciais para a escavação de túneis e para a projecção de frotas de equipamentos, respectivamente. Resumidamente para um projecto de escavação de um túnel o maciço deverá ser alvo de uma estudo hidrológico e geológico intenso, acompanhado pela sua classificação geológica, classificação geomecânica e identificação das suas propriedades, nomeadamente a sua escavabilidade e empolamento. Para o utilitário, não serão utilizadas todas as formas de estudo mencionadas, pois algumas delas, não serão especificamente relevantes. Das classificações apresentadas, a geológica será descartada devido a não se relacionar com as características geotécnicas do maciço. Sendo as classificações geomecânicas as aplicadas, nomeadamente o RMR, devido á sua maior difusão em Portugal. Ao nível da escavabilidade, tal como a classificação geológica, não será utilizada no software, pois como observado uma das grandes vantagens deste parâmetro, é poder servir de base para a escolha do método de escavação de túnel (se por explosivo, se por desmonte mecânico, etc.), porém como referido, o software será direccionado exclusivamente para o desmonte com explosivos, logo o parâmetro escavabilidade poderá ser descartado. Quanto ao empolamento, este parâmetro será incluído, devido a sua grande relevância para o cálculo de volumes a ser movidos pelos equipamentos, de remoção e transporte. Pelo exposto, dos estudos e caracterizações importantes sobre o maciço, apenas a classificação geomecânica, mais precisamente o RMR, e o empolamento são essenciais para o funcionamento do utilitário informático. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 47 4. METODOLOGIAS DE ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS 4.1 INTRODUÇÃO A escavação de túneis, como referido, tem sido realizada ao longo da história, com uma significativa evolução dos métodos de escavação. No passado esta escavação realizava-se de uma forma muito rudimentar, através do trabalho manual de centenas de operários, que em muitos casos apenas estavam equipados com picaretas e pás, contudo, no presente tal forma de escavação é extremamente rara de ser encontrada, seja devido aos seus problemas de eficiência, de longa duração e de má qualidade de trabalho e saúde para os operários. Com a missão de melhorar todos os aspectos e trabalhos relacionados com a escavação de túneis, o Homem investiu no desenvolvimento e investigação de novos métodos a serem aplicados, bem como equipamentos e ferramentas que podem ser uma mais-valia. Esta constante evolução e busca pela perfeição levaram até aos dois principais métodos de escavação, na actualidade: o m´todo mecânico e o método com uso de explosivos. A selecção entre o tipo de metodologia a adoptar é condicionada por um grande número de factores, sendo muitas vezes uma escolha complexa. Como observado a caracterização da escavabilidade de um maciço rochoso poderá ser uma ferramenta para a escolha do método a ser empregue, contudo os métodos apresentados pelos autores como Kirsten e Franklin, como referido encontram-se um pouco desactualizados em relação às características dos instrumentos e equipamentos actuais. Para além da sua desactualização, a escavabilidade não considera factores importantíssimos quando realiza as suas recomendações, como as características ambientais, geográficas e económicas do projecto. Como tal, a escavabilidade não poderá ser a única base de escolha do método de escavação de um túnel, devendo-se ser contabilizados outros factores, principalmente:  Características geológicas e geomecânicas  Condições hidrológicas  Características do túnel: comprimento, dimensão da sua face, geometria, etc.  Restrições de vibrações  Exigências do projecto (prazos, etc.)  Factores ambientais  Factores económicos  Localização do túnel (próximo a habitações, locais de sensibilidade estrutural alta, etc.) Vários autores apresentam diferentes formas de selecção do método a aplicar, focando-se num pequeno número de parâmetros de fácil identificação, sendo a resistência à compressão Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 48 uniaxial o parâmetro mais utilizado. Nas seguintes imagens podemos observar, a aplicação de diferentes métodos de escavação de túneis relacionados com os valores da resistência à compressão uniaxial do maciço (Figura 12), bem como a relação deste último parâmetro com o nível de fracturação e estabilidade (Figura 13). Figura 12 – Relação entre os métodos de escavação de túneis e o valor de resistência à compressão uniaxial do maciço rochoso (Rock Excavation Handbook Tamrock, 1999) Figura 13 – Relação entre os métodos de escavação de túneis, o valor de resistência à compressão uniaxial e o estado de fracturação/estabilidade (Rock Excavation Handbook Tamrock, 1999) Pela Figura 12, podemos observar que o método de Perfuração e Detonação (Drill & Blast) é, sob o ponto de vista do fabricante, aconselhável para uma grande gama de valores de resistência à compressão uniaxial, apresentando o maior campo de aplicação, em relação a Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 49 esta propriedade, comparativamente com os outros métodos de aplicação. Analisando a Figura 13, podemos observar que o método estudado nesta dissertação apresenta uma das maiores áreas de aplicação, em relação à compressão uniaxial e ao estado de fracturação, sendo preferencialmente aconselhável para situações em que o estado da fracturação é bom (homogéneo) e a resistência à compressão uniaxial é elevada. A escavação de túneis, na actualidade, é conseguida através de diferentes métodos, dependendo de todas as características mencionadas anteriormente. Esses métodos podem ser agrupados em duas categorias, uma englobando aqueles métodos que utilizam explosivos para realizar o desmonte do maciço rochoso e outros que realizam o desmonte mecânico do maciço. Entre os dois grupos existem grandes diferenças, o que é importante para projectos deste género, pois um determinado maciço rochoso, muito dificilmente, não terá um método eficiente que se adapte às suas características. Como já referido, esta dissertação será focada na escavação de túneis pelo emprego de explosivos, porém, seguidamente será realizada uma pequena apresentação, não só desta metodologia, mas também de outros dos principais métodos de escavação de túneis na actualidade. 4.2 ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS COM O USO DE EXPLOSIVOS Este método de construção envolve a utilização de explosivos, para realizar o desmonte, sendo que é muitas vezes designado como o método de Perfuração e Detonação. Os explosivos utilizados são colocados dentro de furos previamente furados por equipamentos especializados, como observável na Figura 14. A disposição na frente de desmonte dos furos, os seus comprimentos e diâmetros, bem como o tipo de explosivo e a sua quantidade dependem do tipo de material rochoso em que se está a trabalhar. A operação de detonação dos explosivos é cuidadosamente preparada, com o apoio de retardos temporais, de forma a tornar o desmonte eficiente e seguro. Após realizado o desmonte, o material rochoso fragmentado tem de ser removido e carregado por vários equipamentos, de forma a se poder aceder a uma nova frente de desmonte livre, de modo a que se possam realizar as várias operações referidas anteriormente. Estas operações são repetidas, como exemplificado na Figura 15, até o túnel atingir o seu objectivo. Uma das grandes exigências desta técnica de escavação é a organização e execução de cada uma das operações, pois a construção do túnel no menor tempo possível e com o menor custo, depende da eficiência de todas as operações. Para além do grande campo de aplicabilidade deste método, que permite realizar a escavação de túneis em todo o tipo de maciços rochosos, realizando-se as adaptações recomendadas, outras características são:  Aplicável a uma grande gama de condições do maciço rochoso  Inicio rápido do projecto Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 50  Custo ao nível de equipamento relativamente baixo comparado com outros métodos  Potenciais impactos ambientais, como poeiras, ruído e visuais, são reduzidos, confinando-se à área próxima a frente de desmonte.  Os períodos de tempo de vibração são menores, porém os valores atingidos poderão ser maiores, comparativamente com o método mecânico utilizando tuneladoras Figura 14 – Equipamento de perfuração realizando a sua operação, num túnel aberto pelo método Perfuração e Detonação (http://www.urbantransport-technology.com/features/featurebreaking-new-ground-with-the-brenner-base- tunnel/featurebreaking-new-ground-with-the-brenner-base-tunnel-1.html) Figura 15 – Sequência de trabalhos realizados na escavação de um túnel, pelo método de Perfuração e Detonação (Lopéz Jimeno, 2003) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 51 4.3 ESCAVAÇÃO MECÂNICA Por tuneladoras 4.3.1 Esta técnica de escavação tratasse de um desmonte mecânico, em que são utilizados equipamentos designados por Tunnel Boring Machine (Tuneladora), que realização a abertura do túnel de forma integral, isto é, por secção plena. Este método não utiliza explosivos, sendo um método de desmonte mecânico, estando o seu desempenho muito influenciado com as características do maciço rochoso e com a escolha do equipamento TBM. Preferencialmente o maciço rochoso deverá ser constituído por rochas competentes e que ofereçam estabilidade, sem suporte. Sendo apontado por Lopéz Jimeno e Diaz Méndez, que a eficiência deste método é superior quando a resistência a compressão do maciço é inferior a 120 MPa. Contudo se as rochas forem extremamente duras, a utilização das tuneladoras pode ser uma desvantagem, podendo tornar o processo lento, ineficiente e caro. Quando o maciço apresenta alta dureza é muitas vezes aconselhável a utilização do método Perfuração e Detonação. As tuneladoras, como exemplificado na imagem, apresentam grandes dimensões, e uma forma cilíndrica, tal como observado na Figura 16. Uma das suas faces realiza a escavação do túnel, através da abrasão de cabeças no material rochoso. Alguns destes equipamentos possibilitam a colocação de sustimento imediato, à medida que a escavação do túnel avança. Figura 16 – Duas perspectivas dos equipamentos TBM (tuneladoras) (www.oobject.com/category/20-interesting-boring-machines) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 52 Por equipamentos de “ataque pontual” 4.3.2 Tal como as tuneladoras, estes equipamentos são utilizados para a escavação mecânica de túneis, contudo não permitem uma escavação em secção plena. A utilização destes equipamentos é aconselhável para a escavação em maciços rochosos pouco abrasivos, com grande fracturação e que possuam uma resistência à compressão entre os 80 e os 120 MPa. Enquanto as tuneladoras, são muito semelhantes, não se diferenciando muito do seu corpo cilíndrico, as máquinas de “ataque pontual” são comercializadas numa maior variedade de designs, de forma a responder da melhor maneira às exigências dos projectos. Na Figura 17, podemos observar uma máquina de “ataque pontual” comercializada pela Sandvik, bem como a cabeça de um destes equipamentos a realizar o desmonte de um maciço. Figura 17 – Duas perspectivas das máquinas de ataque pontual: 1º equipamento da SandviK; 2º Braço do equipamento desmontando material rochoso (http://www.fhwa.dot.gov/bridge/tunnel/pubs/nhi09010/09.cfm) Dentro do desmonte mecânico, poderão ser aplicas ainda outras técnicas de escavação, como a utilização de martelos hidráulicos, retroescavadoras, contudo, estas são mais explicáveis para maciços terrosos, não sendo por isso aplicáveis em rochas e maciços rochosos. 4.4 ABORDAGENS NA ESCAVAÇÃO DE UM TÚNEL Para além dos diferentes métodos de escavação de um túnel, dentro do método Perfuração e Detonação é possível realizar-se outra divisão, levando em conta se são criadas secções de desmonte dentro da mesma pega de fogo. Existem três principais técnicas, sendo elas: Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 53 Desmonte por secção plena 4.4.1 Neste tipo de técnica, a frente do túnel é desmontada apenas com uma pega de fogo, como observado na Figura 18. Esta técnica é principalmente aconselhável para túneis, num maciço de boa qualidade com uma altura até os 10 metros, nestes casos é-se possível desmontar túneis com áreas de secção que podem chegar até aos 100 metros quadradas. Figura 18 – Esquema de avanço de um túnel pelo desmonte por secção plena (Bhandari. 1997) Abóboda e Soleira 4.4.2 Nesta técnica, o desmonte é realizado em duas fases, realizando a divisão entre a fase de desmonte da abóboda do túnel e da soleira, tal como observado na Figura 19. A relação entre duas secções depende da área total da secção do túnel, das dimensões dos equipamentos e o tipo de rocha. Ao nível da ordem de detonação, não existe nenhuma regra específica, podendo as suas ordens alternar, porém a secção da abóboda costuma ser a primeira a ser desmontada. Na Figura 19 podemos observar o esquema de um desmonte por abóboda e soleira, em que a abóboda é a primeira secção a ser desmontada. Depois de o topo ser desmontado, o desmonte da soleira, torna-se mais simples, pois foi criada uma nova face livre, podendo ser realizado por furos horizontais ou verticais, como observado. As situações em que a soleira é desmontada em primeiro lugar, ocorrem com menor frequência, devido às grandes exigências quanto a qualidade do maciço rochoso a desmontar. Comparativamente com o desmonte de secção plena, esta técnica exige muito mais tempo para o desmonte, devido a divisão por secções. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 54 Figura 19 – Esquema da frente de um túnel, pelo abordagem Abóboda e Soleira (López Jimeno, 2003) Abertura de um túnel piloto 4.4.3 Esta técnica caracteriza-se pela abertura de um túnel piloto na face do túnel, podendo este estar situado na parte superior da face ou no centro. Quando o túnel piloto é realizado na parte superior da face, este apresenta um comprimento entre os 35% e os 40% da área da secção do túnel. Como vantagem, esta técnica, possibilita o estudo do maciço que vai ser encontrado com o avançar das escavações, contudo a construção do túnel piloto e o constante alargamento deste até as dimensões desejadas do túnel são operações muito demoradas. Esta técnica tem sido empregue com bastante êxito em túneis com áreas de secção não superiores a 50 metros quadrados. Na Figura 20, está representada uma sequência de escavação de um túnel pela abordagem de túnel piloto Figura 20 – Sequência de trabalhos, na escavação de um túnel por túnel piloto (Costa, B. 2012) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 55 4.5 CONCLUSÃO Como podemos observar, a escavação de túneis poderá ser realizada de diferentes maneiras, dependendo das várias características e condicionantes existentes. Poderão ser aplicados métodos mecânicos ou com usos de explosivos, que ofereceram diferentes resultados dependo das condições de aplicação. A escolha do melhor método a ser utilizado é extremamente importante para o projecto, pois será a base para definir tempos de projecto, custos, entre outros, desta forma a sua escolha deverá ser bem sustentada e pensada, pois após iniciado um projecto, a alteração do método de escavação levará a grandes custos e atrasos. Cada um dos métodos apresentados, entre outros não abordados, apresenta-se eficiente para um determinado leque de características geológicas, devendo ser a escolha do método de escavação focalizado nessas características. Contudo como referido anteriormente, na maioria das vezes um maciço rochoso não é totalmente homogéneo, apresentando na sua extensão diferentes características geológicas, que formam diferentes zonamentos geológicas dentro do mesmo maciço. Quando estes zonamentos são significativos, apresentando uma grande heterogeneidade, podem ser aplicados métodos diferentes para cada uma dessas zonas, levando a que diferentes tramos do túnel, correspondentes a zonas geológicas diferentes, sejam escavados por métodos de escavação distintos. A utilização de diferentes métodos num túnel, teoricamente levará a um maior investimento e custo do projecto, contudo quando se tratam de túneis com dimensões consideráveis e com exigências apertadas, a aplicação de vários métodos deverá ser levada em conta, de forma a realizar a escavação do túnel com maior qualidade e eficiência e em menor tempo. Os pressupostos referidos anteriormente, poderão também ser aplicados ao tipo de abordagem na escavação, isto é, se a escavação do túnel será realizada em secção plena ou em diferentes secções. Tal como um determinado túnel poderá ser explorado, viavelmente e eficazmente, por dois métodos diferentes, a mesma situação poderá ocorrer comas abordagens nessa escavação, isto é, nada impossibilita que diferentes abordagens sejam aplicadas, desse que devidamente pensadas e escolhidas, de forma a aumentar a eficiência da escavação do túnel e a diminuir o tempo de projecto. Apesar de terem sido referidos diferentes métodos de escavação, este trabalho será focado exclusivamente no método Furação e Detonação, em que são empregues explosivos para a escavação do túnel, sendo que a única abordagem a ser considerada nesta dissertação será a de Secção Plena. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 62 Comprimento da Pega de Fogo 5.2.2 Após a determinação do número de furos do diagrama de fogo e da construção da caldeira apropriada, um dos passos seguinte é a determinação do comprimento do furo aconselhável, que será representativo do comprimento da pega de fogo. Ao nível do software e do trabalho, o comprimento da pega de fogo será um parâmetro que poderá ser alterado conforme desejado, não sendo influenciado por nenhum parâmetro nem regido por nenhuma expressão, contudo para conhecimento geral, o valor do comprimento do furo poderá ser determinado traves da Equação 7. (Eq. 7) = Comprimento do furo = Diâmetro do furo vazio escolhido para a caldeira Como será observado seguidamente, o comprimento do furo, ou da pega de fogo apresentaram uma grande influência em todo o projecto. Avanço Real 5.2.3 Contudo, como é do conhecimento, apesar de os furos realizados apresentarem o comprimento calculado, o avanço no túnel, provocado pelo desmonte de uma pega de fogo, nunca será igual a esse valor, devido, principalmente à qualidade do maciço rochoso. Como podemos observar pela Figura 26, é de fácil compreensão que o avanço real, provocado pelo desmonte do maciço rochoso, não é concordante com o comprimento total, perfurado pelo equipamento de perfuração Figura 26 – Relação entre o avanço real e o comprimento total perfurado (López Jimeno, 2003) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 63 A diferença entre o avanço real e o comprimento total perfurado, como referido, é fortemente influenciado pela geologia do maciço rochoso, sendo que, regra geral, um maciço rochoso de alta qualidade, apresentará um avanço muito próximo do comprimento do furo (da pega de fogo), sendo que um maciço de qualidade muito pobre, levará a um avanço muito reduzido, em comparação com o comprimento da pega de fogo. Em concordância com o referido, foi adoptada uma correlação entre a classificação RMR do maciço rochoso com a percentagem de avanço em relação ao comprimento da pega de fogo. Para a classe I, da classificação, será adoptada a percentagem mais alta, de 95%, sendo para a classe V, adoptada a percentagem menor. Ao nível da classe mais alta, que apresenta uma maciço de muito boa qualidade, o avanço previsto será de 95%, não de 100%, pois este ultimo valor é raramente atingido, pois para tal acontecer uma grande circunstâncias de factores são necessárias, como uma extrema boa qualidade do maciço e ma grande eficiência e qualidade do processo de desmonte. Na Equação 8 podemos observar, matematicamente, a relação entre o comprimento da pega de fogo e o avanço provocado. (Eq. 8) = Avanço provocado pelo desmonte da pega de fogo = Percentagem de avanço, representa a eficiência do avanço provocado pelo desmonte da pega de fogo, em função da classe do maciço rochoso, segundo o RMR = Comprimento do furo Sendo a percentagem de avanço, exprimida segundo a Tabela 17, em função da classificação ode RMR: Tabela 17 – Relação entre as classes RMR e a Percentagem de Avanço Rock Mass Rating PA (Percentagem de Avanço) I - Muito Bom 100 - 81 95 % II - Bom 80 - 61 80 % III - Regular 60 - 41 70 % IV - Pobre 40 - 21 60 % V - Muito Pobre 21 - 0 50 % A escolha da percentagem de avanço atribuída para cada classe de maciço não foi realizada segundo estudos intensivos nesta matéria, sendo este valores atribuídos seguindo um raciocínio lógico e após uma longa discussão. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 64 A escolha de uma percentagem de avanço de 95% para a classe I, é baseada na bibliografia, pois é do conhecimento que uma percentagem de avanço de 100% é considerada uma miragem ao nível do desmonte de maciços rochosos, com o uso de explosivos, para a escavação de túneis. Vários autores defendem que um avanço previsto correspondente a 95% do comprimento da pega é, na actualidade o melhor resultado possível, sendo apenas atingido para maciços de grande qualidade. Desta forma, baseado neste raciocínio, foi escolhido a percentagem de avanço de 95% para desmontes de maciços rochosos realizados em maciços rochosos de qualidade máxima, correspondentes à classe I do RMR. Quanto à escolha do avanço previsto mínimo, de 50%, para maciços da classe V, após o dialogo com engenheiros com uma maior experiencia no assunto, foi assumido que este seria o valor que que melhor se ajustaria. Ainda para esta mesma classe, a escolha de um avanço previsto inferior a 50 %, seria de rejeitar, pois levaria a uma extrema ineficiência do desmonte, pois a relação entre o comprimento da pega e o avanço previsto seria extremamente negativo, para o projecto. Baseados os valores extremos da percentagem de avanços nos raciocínios previamente explicados, os valores intermédios foram obtidos de forma expedita, de forma a obter-se uma diferença no avanço previsto similar de classe para classe. É importante também esclarecer, que neste caso a percentagem de avanço está apenas a ser correlacionada com a qualidade do maciço rochoso, admitindo-se que a qualidade do desmonte realizado pelo Homem, principalmente, perfuração do maciço, carregamento do explosivo e a sua detonação, não interfere neste parâmetro, através do pressuposto que este desmonte é realizado pelo Homem, com uma eficiência de 100%. Como é do conhecimento, eta eficiência por parte das operações é completamente impossível, devido a toda a variabilidade das operações e dos seus constituintes, como equipamentos e operadores, contudo para o estudo da influência da qualidade do maciço rochoso no avanço previsto, tal suposição é positivo. Uma forma muito simples de compreender a importância do avanço previsto, para todo o projecto, é imaginando o caso de escavação de um túnel com o mesmo comprimento, por exemplo 40 metros, em maciços rochosos diferentes, imaginemos um maciço da classe I e outro da classe III, sendo que o comprimento da pega de fogo, de 5 metros, será semelhante para os dois caso, c Para cada um dos casos, o número de avanços necessários, para completar a escavação do túnel, será correspondente a: No caso do maciço de classe I: No caso do maciço de classe III: Como podemos observar, a influência da percentagem de avanço, em função das características do maciço rochoso, é muito grande, pois, como isto no exemplo anterior, Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 65 mudança na classe do maciço, leva a que sejam necessário mais 3 avanços, para completar o túnel. Cálculo dos diferentes furos 5.2.4 Como referenciado, os furos de uma pega de fogo, são agrupados em diferentes grupos, consoante as suas características. Para a construção de um diagrama é essencial o conhecimento sobre o número de furos de cada grupo e a sua posterior localização na frente livre. Para este trabalho, a distinção entre o número de furos de cada grupo não é relevante, pois apenas o número de furos total é relevante. A determinação do número e da posição dos furos de cada grupo é uma das tarefas mais complexas, na construção do diagrama. Vários autores, tal como ocorrer para a determinação do número de furos no seu total, apresenta variadas formas de determinação do número de furos de cada grupo e o espaçamento entre eles, de forma a determinar a sua posição na frente. Estas fórmulas apresentados, por todo o Mundo, são bastante úteis, contudo muitas das vezes não ditam o resultado final, pois as empresas que realizam este género de projectos, baseiam-se muitos nos dados e conhecimentos obtidos com a experiencia, para construir o seu diagrama de fogo, neste caso, ao nível dos diferentes grupos de furos. Para além disso, o aparecimento de vários softwares, veio tornar esta tarefa muito mais fácil e menos manual. É importante referir, que na maioria dos túneis, são necessários vários diagrama de fogo para a sua construção, isto deve-se as diferentes condições e características geológicas encontradas ao longo da construção do túnel, que levam a formação de zonamentos geológicas, como já aludido. De uma zona geológica para uma zona geológica poderão ocorrer pequenas alterações no diagrama, como a pequenas alterações do número de furos de um grupos em pequena, ou o aumento ou diminuição do seu espaçamento, contudo em outros casos poderão ser exigidas alterações drásticas, como a mudança do tipo de caldeira e alterações em grandes proporções do número e localização de furos. Contudo para este trabalho será assumido que o número de furos não variará ao longo de todo o projecto. Juntamente com este pressuposto, não serão considerados os diferentes grupos de furos dentro do diagrama, o tipo ode caldearia utilizada nem a localização dos vários furos na frente de desmonte. Resumidamente, em termos do diagrama de fogo, é para nós importante o conhecimento da metodologia para determinar o número de furos, segundo o método sueco, e o conhecimento entre a relação entre o comprimento de furo ou da pega e o avanço, em função das características do maciço rochoso, mais especificamente da sua classificação segundo o RMR. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 66 5.3 EXPLOSIVOS O principal objectivo da perfuração dos diferentes furos numa pega de fogo, é o acomodamento dos explosivos que irão realizar o desmonte. À operação de colocar os explosivos dentro dos furos da pega de fogo é-se comummente chamada de carregamento da pega de fogo, ou simplesmente carregamento. Esta operação é realizada segundo várias regras de segurança, como vista de protecção dos operadores, visto ser uma tarefa realizada de forma manual. Dentro de um furo de uma pega de fogo existem duas estruturas principais: a coluna de carga explosiva e o tampão. A coluna de carga explosiva é geralmente dividida em duas secções, segundo as suas características e funções distintas. As duas divisões realizadas são:  Coluna: Secção intermédia do furo e de maior comprimento, comparativamente com as outras seções. Tem como principal função acomodar o explosivo que irá realizar o desmonte, sendo designado geralmente como carga de coluna.  Fundo: Secção mais afastada da foca do furo. Esta secção acomoda também explosivos, geralmente de maior potência que os utilizados na coluna, ou até mesmo boosters, de forma a realizar um desmonte, nesta área, com maior energia, devido ao seu maior confinamento. O conjunto de explosivos no fundo do furo é designado como carga de fundo. Como será observado, é nesta secção que são colocados os detonadores que irão realizar a iniciação dos explosivos. Como compreendido é graças a estas duas secções que ocorre o desmonte o desmonte da rocha, pois são estas que acomodam o explosivo. O tipo de explosivo e a sua quantidade são estabelecidos previamente, a quando a criação do diagrama de fogo, levando em conta vários factores: as características do maciço rochoso, exigências da construção, tipo de furos do diagrama de fogo, presença de estruturas físicas e humanas próximas, etc. O tampão, por seu lado, não está presente na estrutura de um furo para fornecer energia destrutiva, sendo a sua presença essencial para realizar a selagem de todo o explosivo dentro do furo, bem como dos ases que se irão libertar após a detonação. Desta forma o explosivo, mesmo quando não detonado, não é projectado do seu furo, e a pressão originada pelos gases de detonação será transmitida com maior eficiência para o maciço rochoso. Para a realização do tamponamento, podem ser utilizado várias matérias. Algumas empresas, comercializadoras de explosivos, fornecem também matérias próprias para realizar o tamponamento dos furos, porém estes materiais são uma agravante a nível financeiro, por isso, com o objectivo de se poupar dinheiro, é comum a utilização de matérias rochosos, já desmontados, e solo para o tamponamento dos furos. A utilização destes materiais possibilita um criar tampões eficientes sem custos, visto os materiais utilizados serem originados por desmontes prévios. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 67 Na Figura 27, podemos observar a estrutura de um furo horizontal, utilizado no método Perfuração e Detonação. São visíveis as localizações da carga de fundo (C), da carga de coluna (B) e a zona onde ocorre o tamponamento (A). É possível também observar-se a vermelho, o detonador e o fio de ligação, que serão responsáveis pela iniciação do explosivo, como será observado futuramente. Figura 27 – Perfil esquemático de um furo, utilizado no método de Perfuração e Detonação, visualizando-se as estruturas: A-Tampão, B-Coluna e C-Fundo. A Vermelho está representada a localização do detonador. O fornecimento de explosivos pode ser realizado em três grandes categorias: a granel, em cartuchos ou em pó. Sendo os dois primeiros tipos os principais quando se fala de desmonte horizontais, como acontece na construção de túneis. Os explosivos a granel são explosivos no estado líquido, comercializado numa vasta gama de consistências, em que o seu carregamento é realizado com o apoio de bombas, que bombeia a o explosivo dos seus reservatórios para os furos desejados. As principais características dos explosivos granulados são:  Possibilitam um carregamento rápido, quando comparado com os explosivos em cartucho.  Carregamento fácil e seguro, na actualidade controlado por computadores.  Ajustam-se totalmente ao furo, não existindo vazios entre o explosivo e as paredes do furo, como pode acontecer com os cartuchos.  São resistentes à água, possibilitando o carregamento de furos húmidos.  São susceptíveis à dispersão por falhas e fracturas.  É necessária a existência de uma bomba, para efectuar o bombeamento do explosivo  Um reservatório seguro, geralmente um veículo, é necessário para o seu transporte. Quanto aos explosivos em cartuchos, são explosivos comercializados em forma cilíndrica, sendo que são comercializados com várias tamanhos, variando sempre o seu comprimento e raio. Uma determinada carga de coluna apresentará um determinado comprimento e diâmetro, sendo que os cartuchos escolhidos para o carregamento devem apresentar dimensões que possibilitem um enchimento o mais total possível dessa coluna. Para tal deverá Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 68 ser realizada uma escolha cuidada das dimensões dos cartuchos, tanto ao nível do seu comprimento como do seu diâmetro. Ao nível do diâmetro, os fornecedores, apresentam cartuchos com dimensões entre os 2 e 12 centímetros, enquanto o comprimento vária de forma geral entre os 12 e os 70 centímetros, contudo, devido a forte concorrência entre fornecedores e, por vezes, a grande dimensão do projecto, vários fornecedores possibilitam a customização dos cartuchos por parte dos clientes, de forma a cumprimento o melhor possível os seus objectivos. Ao nível do diâmetro dos cartuchos, é pratica comum escolher cartuchos que apresentam um diâmetro inferior em 10 milímetros ao diâmetro do furo em causa, enquanto na escolha do comprimento deverão ser escolhidos cartuchos que permitem a “construção” da carga de coluna com um número de cartuchos redondo, não brigando ao corte de cartuchos, que poderá ser uma prática perigosa. De uma forma geral os explosivos encartuchados apresentam as seguintes características:  Manuseamento mais fácil.  Carregamento mais lento e complicado, pois inicialmente obriga a total desobstrução e limpeza do furo.  Carregamento obriga ao uso de atacadores, para empurrar aos cartuchos para o fundo do furo, tarefa que pode ser complicada quando realizada em furos horizontais.  Não necessita de veículos especiais nem de reservatórios próprios. Como já referido para além dos explosivos encartuchados e a granel é possível a utilização de explosivo em pó, não sendo viável para furos horizontais. O seu carregamento, que é realizado através da injecção de ar comprimido, que pode criar vários problemas e a sua não resistência à água são os seus grandes problemas, não sendo compensadas com o seu rápido carregamento e a possibilidade de total preenchimento do furo. Propriedades Explosivo 5.3.1 Quando se deseja realizar a escolha de explosivos, a serem empregues em desmontes de rocha, vários factores pesam, como a segurança, o seu custo e as suas propriedades. Os explosivos, para além da forma como são comercializados, apresentam variadíssimas diferenças entre si, que os tornam mais aconselháveis, ou até mesmo o contrário, para determinadas situações. Das várias características dos explosivos, a sua energia, traduzida mundialmente pelo Relative Weight Strength (RWS) e pelo Relative Bulk Strength (RBS), o seu balanço de oxigénio e a pressão de detonação são bastante importantes, pois caracterizam o próprio explosivo, contudo para além destas, as seguintes características, são também bastante importantes:  Densidade A densidade, como é sabido, relaciona a massa do explosivo com o seu volume. A comparação da densidade do explosivo, que a nível comercial costuma estar situada entre os 0.6 e os 1.45 g/cm3, com a densidade da água, aproximadamente de 1 g/cm3, Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 69 é muito importante na escolha do explosivo, pois é a partir desta comparação que podemos descobrir se o nosso explosivo é útil em furos com presença de água. Sendo que em caso, que a densidade é inferior, o explosivo flutuará, sendo bastante negativo. A densidade poderá também ser uma boa fonte de controlar a granulometria do produto final de desmonte. Principalmente para desmontar material em pequenas granulometria é aconselhável o suo de explosivos mais densos  Sensibilidade à iniciação Diferentes explosivos possuem diferentes níveis de susceptibilidade a serem detonados. A escolha dos métodos de iniciação e a técnica a usar terá sempre de ser baseada na sensibilidade do explosivo. Ao nível de segurança, explosivos com menor sensibilidade, são preferias, pois com estes os riscos de detonação involuntária são menores.  Gases gerados pelos explosivos Os explosivos, devido aos diferentes compostos que os podem constituir, podem criar diferentes gases, em diferentes volumes, quando são detonados. O conhecimento sobre estes gases e os seus volumes é essencial ao nível da segurança dos operadores, principalmente em ambientes fechado, como acontece no desmonte subterrâneo, como a construção de túneis. A ventilação após a detonação de uma pega de fogo em ambiente subterrâneo dependerá sempre do volume total de gases, e suas características. Os principais gases formados são: o dióxido de carbono, oxigénio, monóxido de carbono, gás sulfídrico. O balanceamento entre os vários gases e o oxigénio originado (BO) é um bom método para avaliar o nível tóxico dos gases. Sendo que em casos perfeitos, quando o balanço é igual a zero, apenas se formariam gases não tóxicos, como o dióxido de carbono, vapor de água e nitrogénio.  Resistência à água Um explosivo poderá apresentar resistência à água, permitindo que este esteja exposto, durante grandes períodos de tempo, a água, sem que perda as suas características. Na escolha dos explosivos, a presença de água nos furos de uma pega de fogo deverá sempre prevista, levando à correcta escolha de explosivos. Principais explosivos existentes 5.3.2 Para além da forma em que podem ser comercializados, no mercado existem diferentes explosivos, com diferentes características e forças explosivas, que podem ser utilizados num desmonte. A escolha do tipo de explosivo utilizado deve ser sempre realizada com sabedoria levando em conta as características rochas, as exigências do projecto, os níveis de segurança, tal como os factores económicos. Ao longo da história vários explosivos tem sido utilizados para o desmonte de rocha, alguns com maior sucesso do que outros, contudo com o avanço dos tempos e da tecnologia o Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 70 Homem tem-se focado em encontrar e criar novos explosivos que forneçam maior energia destrutiva com maior segurança possível. Na actualidade os explosivos mais comuns são: Explosivos gelatinosos 5.3.2.1 Os explosivos gelatinosos são no fundo a mistura entre nitroglicerina, nitrocelulose, substâncias oxidantes, combustíveis e aditivos especiais. A proporção dos diferentes componentes na mistura pode variar, fornecendo diferentes características ao explosivo, contudo as gelatinas actuais são constituídas por uma percentagem em peso de nitroglicerina e nitrocelulose que varia entre os 30 e os 35%. Na Tabela 18 podemos observar as principias vantagens e desvantagens dos explosivos gelatinosos. Tabela 18 – Explosivos gelatinosos: vantagens e desvantagens Vantagens Desvantagens Elevada potência Grande sensibilidade Elevada densidade (1,2 - 1,5 ) Acidentes ligados ao seu transporte Elevada velocidade detonação (5.000 - 6.000 ) Desaconselhável em condições ambientais extrema Seguro no fabrico e manuseio Elevado custo de fabrico Detonação fácil Contêm Nitroglicerina, perigosa para o Homem Resistentes à água Quimicamente estáveis ANFO 5.3.2.2 O ANFO tem tido um papel muito importante no desmonte de rocha na actualidade. ANFO é a sigla para “Ammonium Nitrate/Fuel Oil” e como o nome sugere é uma mistura de nitrato de amónio e de gasóleo (portador de hidrocarbonetos líquidos), numa percentagem de 94% e de 6%, respectivamente. O Nitrato de Amónio é fornecido a granel, e tem como principal papel, funcionar como oxidante e a absorvente para os hidrocarbonetos líquidos. Na Figura 28, podemos observar a forma de comercialização e transporte do ANFO, que normalmente, ocorre a granel. As grandes vantagens do ANFO é o seu baixo custo e a sua vasta gama de aplicações, sem aconselhável para rochas brandas e médias. Sendo que comparativamente com outros, o torna mais favorável é a sua não resistência à água, o que reduz significativamente a sua utilização. De um forma geral, o ANFO é caracterizado por:  Densidade inferior à da água, cerca de 0.80 .  Velocidade de detonação entre os 2.900 e os 5.100 .  Libertar um volume de gases próximo dos 978 litros. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 71 Para além do seu uso, o ANFO tem sido utilizado como composto de outras misturas explosivas, com o objectivo de obter ou melhorar características já presentes no ANFO, alguns dos explosivos fabricados a partir do ANFO são as emulsões e o ANFO pesado. Figura 28 – Explosivo ANFO, comercializado pela MAXAM (www.maxam.net) ANFO Pesado 5.3.2.3 O Ando pesado, como referido é um explosivo que utiliza como componente o ANFO comum, a este á adicionado uma emulsão de nitrato de amónio, que constitui entre 45 e 50% do explosivo. Esta adição de nitrato de amónio tem como objectivo aumentar a baixa densidade do ANFO. Sendo o ANFO um granulado, parte da sua estrutura é constituída por interstícios vazios, responsáveis pela sua baixa densidade. Adicionando a emulsão de nitrato de amónio ao ANFO granulado, esta irá preencher esses vazios, aumentando significativamente a densidade do explosivo. O balanceamento entre a mistura da emulsão e de ANFO comum, possibilita a variação da densidade bem como de outras características, sendo as grandes vantagens do ANFO pesado:  Aumento da energia libertada, para uma mesma quantidade de ANFO pesado e ANFO comum.  Aumento da sensibilidade.  Resistência à água, algo que não acontecia com o ANFO comum.  Possibilidade de variar as proporções da mistura, dentro de um mesmo furo. Contudo, devido à adição da emulsão de nitrato de amónio, o custo do explosivo é superior ao do ANFO comum. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 78 Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 79 6. CICLO DE TRABALHO NA ESCAVAÇÃO DE UM TÚNEL 6.1 INTRODUÇÃO Um projecto de escavação de túnel, pelo método de Perfuração e Detonação, como muitos dos projectos ligados à Engenharia de Minas, apresenta uma característica de repetibilidade de operações, significa isto que, um projecto deste género, numa perspectiva muito simplista, não é mais do que um grupo de operações que se repete sucessivamente, até que o projecto finde. Sendo o objectivo deste trabalho a estimação da duração temporal de projectos de escavação de túneis, o estudo desse grupo de operações e da sua organização no projecto torna-se fundamental, principalmente devido à simplicidade que origina. Na comunidade mineira, o grupo de operações, que é alvo de repetição, é conhecido como ciclo de trabalho, devido a este representar a sequência de operações de trabalho que serão realizados, sendo que na sua maioria, cada uma dessas operações é dependente da que a precede. Dentro de um projecto, mais do que um ciclo de trabalho poderão ser encontrados, sendo que até mesmo dentro de uma operação poderão existir ciclos de trabalho. O Homem, ao longo da história, teve sempre uma afinidade por ciclos de trabalho, procurando sempre dividir desta forma projectos. Tal afinidade deve-se à eficiência originada por tal organização simples e natural de operações. Pois entendido o ciclo de trabalho, base de todo o projecto, ao longo do tempo, à medida que o número de repetições aumenta, as operações tornam-se mais mecanizadas e os níveis de compreensão das operações e eficiência, por parte dos operadores, aumentam, pois estas tornam-se uma rotina. Pelo exposto, torna-se importante conhecer o ciclo de trabalho de um projecto de escavação de um túnel, pois conhecendo a sua composição, a nível de operações, e organização, poderá ser realizado um estudo pormenorizado, com o objectivo de estimar a duração temporal de um único ciclo de trabalho, levando-nos no final à estimação temporal de todo o projecto. O ciclo de trabalho de um projecto de escavação de túnel, pelo método de Perfuração e Detonação, poderá apresentar diversas composições e organizações, dependendo das características do maciço rochoso, das exigências do projecto e de diferentes condicionantes. Na Figura 33, podemos observar um dos ciclos de trabalho mais simples, que poderá constituir um projecto de escavação de túnel. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 80 Figura 33 – Representação de uma das possíveis constituições e organizações de um ciclo de trabalho de escavação de um túnel, pelo método de Perfuração e Detonação (Rock Excavation Handbook Tamrock, 1999) Observado a Figura 33, é possível perceber que no ciclo de trabalho apenas um pequeno grupo de operações é representado, comparativamente com todas as operações e actividades que ocorrem no projecto. Tal acontece, porque, com o propósito de determinar a duração do ciclo de trabalho, e posteriormente do projecto, apenas é necessário o estudo e contabilização das operações influenciadoras da sua duração. Desta forma para um projecto desta natureza, segundo a Figura 33, as operações contabilizadas para o ciclo de trabalho são essencialmente:  Marcação da pega de fogo  Carregamento da pega de fogo  Detonação da pega de fogo  Ventilação  Saneamento da área desmontada  Sustimento da área desmontada  Remoção do material desmontado As operações anteriormente apresentadas são as principais constituintes de um ciclo de trabalho, de um projecto de escavação de túnel e sem dúvida as mais relevantes, principalmente devido ao seu peso na duração do ciclo de trabalho. Segundo López Jimeno (2003), a nível percentual, na duração de um ciclo de trabalho, é comum as operações apresentarem diferentes pesos, como observado na Tabela 20. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 81 Tabela 20 – Influência das principais operações na duração de um ciclo de trabalho, segundo López Jimeno (2003) Operações Percentagem Perfuração 10 – 30 Carregamento do explosivo 5 – 15 Detonação e Ventilação 5 – 10 Remoção do material desmontado 10 – 30 Saneamento e Sustimento 70 - 15 Ainda segundo López Jimeno (2003), a situação em que o saneamento e sustimento apresentam uma maior percentagem refere-se aos casos em que o maciço rochoso escavado apresenta uma qualidade muito baixa, aconselhando o autor, a ser utilizado um método de escavação mecânico, em substituição do método de Perfuração e Detonação. Como observado as operações prévias são efectivamente aquelas cuja duração exerce uma maior influência em todo o projecto, contudo, pequenas operações, consideradas muitas vezes secundarias, são também elas importantes para a estimação, pois apesar de representarem apenas uma pequena percentagem do tempo de duração do ciclo de trabalho, terão uma grande influência quando totalizado todo o projecto, já que serão sucessivamente repetidas. Neste caso, podemos adicionar ao ciclo de trabalho as operações:  Chegada do Jumbo de perfuração à frente  Ligação da pega de fogo  Saída do pessoal A organização de todas as operações do ciclo de trabalho é essencial para o projecto, sendo a eficiência, a qualidade e a rapidez a que cada uma delas é realizada influenciadora de todo o projecto. Como será observado mais tarde, as operações do ciclo, salvo raras excepções, realizam-se sequencialmente, não sendo possível a sua sobreposição. Esta característica leva a que a duração do ciclo dependa delas, pois serão as que efectivamente contarão para a sua duração, já que como já foi dito, serão realizadas outras actividades e trabalhos em simultâneo, que não serão influenciadoras do tempo de duração do ciclo, como é exemplo a manutenção de equipamentos, trabalhos administrativos, alimentação dos trabalhadores, etc. Quanto às operações influenciadoras do ciclo de trabalho, podemos observar que o seu número, poderá não ser muito significativo, contudo cada uma delas apresenta uma complexidade assinalável, devido às grandes variações que podem sofrer, de projecto para projecto. Desta forma compilando as operações influenciadoras do ciclo de trabalho temos:  Marcação da pega de fogo  Chegada do Jumbo de perfuração à frente  Carregamento da pega de fogo  Ligação da pega de fogo  Saída do pessoal Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 82  Detonação da pega de fogo  Ventilação  Saneamento da área desmontada  Sustimento da área desmontada  Remoção do material desmontado Porém, como já referido, esta dissertação focar-se na escavação de túneis que não necessitem de sustimento intenso, podendo este ser descartado ou realizada paralelamente com outras operações. Esta opção traduz-se na eliminação da Operação de Sustimento do ciclo de trabalho, pois a duração desta operação nunca será influenciadora do tempo de duração do ciclo de trabalho, e por consequência do projecto. Conhecidas as operações que constituirão o ciclo de trabalho, de um projecto de escavação de túnel, será realizado o seu estudo aprofundado, de forma a podermos compreende-las melhor, tanto como são influenciadas pelos parâmetros e características do projecto mas também como estas o influenciam. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 83 6.2 OPERAÇÃO DE MARCAÇÃO DA PEGA DE FOGO Nesta operação é realizada a marcação, na frente livre do túnel, as posições onde serão realizados os furos de perfuração. Esta operação é muito importante, pois da qualidade da marcação irá depender o posicionamento dos furos, sendo que pequenos erros nas suas posições, quando todos somados, poderão levar a pegas ineficientes ou perigosas. A marcação pode ser realizada de forma manual, pelos operadores, sendo geralmente marcado na frente com tintas ou sprays. Os operadores recebem as posições do furos, previamente definidas no diagrama de fogo, e tentam recria-lo na rocha, com a maior qualidade possível, utilizando geralmente réguas e projectores. Na Figura 34 é possível observar uma sequencia comum dos trabalhos de marcação ode um pega de fogo, de forma manual. Figura 34 – Sequência de trabalhos, na marcação de uma pega de fogo manualmente (López Jimeno, 2003) Contudo, com o avançar das tecnologias, vários equipamentos de perfuração, como os Jumbos de perfuração da última geração, apresentam softwares que não necessitam de marcação prévia na frente de desmonte. Fornecendo-se a estes Jumbos, em formato digital, o diagrama da pega de fogo pretendido, este irá realizar os furos nas suas determinadas posições. Com a utilização destes equipamentos mais avançados tecnologicamente é espectável que o erro referente a marcação da pega de fogo seja menor, comparado quando esta é realizada manualmente, pelos operadores. Desta forma, para a determinação do tempo correspondente à operação de marcação, podemos obter dois valores, dependendo das características do equipamento de operação, se à seguinte pergunta “O equipamento de perfuração possui software de marcação automático?” a resposta for: Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 84  “Sim”: O tempo de marcação de pega é nulo.  “Não”: O tempo gasto para realizar a operação é uma função do número de furos a marcar, que dependem da área da secção do túnel, e do número de operadores que a realizam. Neste caso, apesar de existirem diferentes grupos de furos dentro de um diagrama de fogo, o tempo de marcação de cada grupo de furos é tomado como igual. Podemos então construir a Equação 9 para determinar o tempo que será despendido, dentro de um ciclo de trabalho, para a operação manual: (Eq. 9) = Tempo total despendido dentro de um ciclo de trabalho, para a operação de marcação da pega de fogo, em minutos = Número total de furos a serem marcados na frente de desmonte = Tempo despendido para realizar a marcação de um único furo da pega de fogo, em minutos = Número de operadores encarregue de realizar a operação de marcação Na Figura 35 é possível se visualizar um equipamento com software de marcação automática de um Jumbo de perfuração, em que o equipamento mostrado trata-se de um terminal externo, para o operador poder controlar à distância a operação. Figura 35 – Software de marcação automática: TCAD da Sandvik (Rock Excavation Handbook Tamrock, 1999) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 85 6.3 OPERAÇÃO DE CHEGADA DO JUMBO À FRENTE Os Jumbos de perfuração são os equipamentos responsáveis pela perfuração dos maciços rochosos, segundo as directrizes do diagrama da pega de fogo. A sua presença na frente de desmonte apenas é necessária durante a Operação de Perfuração, sendo que durante o resto do ciclo de trabalho, não é utilizado, devendo a sua presença junto à frente de desmonte evitada. Quando o equipamento termina a Operação de Perfuração, é removido do local de forma a permitir o acesso à frente do túnel, por parte dos operadores e equipamentos que irão realizar as operações seguintes. Para além deste motivo, o Jumbo é também removido por motivos de segurança, principalmente para o salvaguardar de danos no momento da detonação da pega de fogo. Com o propósito de o proteger da detonação, o Jumbo é colocado a uma distância de segurança. O Jumbo, como para cada ciclo, após realizada a perfuração, é colocado a uma distância de segurança, terá de a percorrer novamente no ciclo seguinte, de forma a se aproximar da frente para a nova Operação de Perfuração. Como podemos perceber, os movimentos de chegada e afastamento do Jumbo, em relação à frente, repetem-se em todos os ciclos de trabalho, logo a sua contabilização, para a duração do ciclo de trabalho poderá ser importante. E como veremos seguidamente, um desses movimentos torna-se relevante temporalmente. Comecemos pelo afastamento do Jumbo. Este movimento não é contabilizado para o ciclo de trabalho, pois para além de ocorrer em simultâneo com as operações seguintes (carregamento, ligação e saída do pessoal), não tem grande influência no trafego dentro do túnel, pois deixando a frente livre, não prejudicará as operações seguintes. Desta forma, para o ciclo de trabalho, podemos esquecer este movimento do Jumbo, visto não apresentar uma relevância temporal para o ciclo de trabalho. Contrariamente ao movimento anterior do Jumbo, a sua chegada à frente, apresenta uma importância significativa para todo o ciclo, devido a característica que a precede bem como a que se realiza em simultâneo. Focar-nos-emos primeiramente nas actividades precedentes, a carga e o transporte. Ambas as actividades, como será visto mais tarde, são realizadas por equipamentos de grande dimensões, semelhantes as do Jumbo de perfuração, e que necessitam de grandes área de movimentação, principalmente os equipamentos de transporte, que se movimentam ao longo de todo o túnel. Como é de supor, devido às dimensões dos equipamentos, para que as operações de carga e de transporte sejam realizadas eficientemente e em segurança, é essencial que o Jumbo não se encontre no túnel, de forma a obstruir o mesmo, logo terá de ser removido do túnel ou então estacionado em algum nicho do túnel. Este movimento de retirada do Jumbo ocorre após o término da operação de perfuração, sendo que apenas poderá iniciar o movimento de chegada à frente quando as actividades de transporte e carga terminem, não sendo compatíveis temporalmente. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 86 Por outro lado, iniciando-se no instante em que terminam as actividades de carga e transporte, tal como a chegada do Jumbo á frente, ocorrerá a marcação da pega de fogo na frente, caso esta seja realizada manualmente. Esta simultaneidade das duas operações ocorre, pois enquanto o Jumbo chega à frente, os operadores poderão realizar a marcação sem interferências, pois não haverá trabalhos na frente do túnel. Ocorrendo esta possibilidade de simultaneidade de operações, é importante definir as duas situações que poderão ocorrer, levando a uma variação da importância da Operação de Chegada do Jumbo à frente, em função das características do Jumbo, principalmente se este possui software de marcação automática da Pega de Fogo. Caso a resposta a seguinte pergunta: “O equipamento de perfuração possui software de marcação automático?” seja:  “Não”: Neste caso a operação de marcação da Pega de fogo, existirá, sendo realizada manualmente pelos operadores, logo existirá uma sobreposição temporal das duas operações. Como veremos mais tarde, para a contabilização da duração total de um ciclo de trabalho será admitida, entre a operação de Marcação e de Chegada do Jumbo, aquela que apresente uma maior duração. Caso o Tempo de Marcação seja superior, a Operação de Chegada do Jumbo não apresenta importância para o ciclo, podendo ser descartada, pois será considerada uma operação secundária.  “Sim”: Como não existirá a Operação de Marcação da Pega de Fogo, os ciclos de trabalho iniciar-se-ão com a chegada do Jumbo à frente. Nesta situação esta operação apresenta uma importância muito superior à anterior, pois será sempre ela a definir o tempo despendido, no início de cada ciclo. Independentemente da situação que possa ocorrer num determinado projecto, o tempo despendido na operação é poderá ser determinado da mesma forma, podendo ser traduzido pela Equação 10. (Eq. 10) = Tempo despendido na Operação Chegada do Jumbo à frente = Distância de segurança a que o Jumbo deverá estar do local onde ocorrerá a detonação de explosivo = Velocidade de deslocação do Jumbo Como podemos perceber a determinação do tempo de duração desta operação é bastante simples, comparativamente com expressões de cálculo para outras operações. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 87 Para a obtenção de dados sobre a velocidade de deslocação do Jumbo não existem grandes dificuldades, pois junto do comerciante ou fabricante do equipamento podemos obter esses dados. Sendo que a velocidade do equipamento pode ser baseada em experiências anteriores, onde o Jumbo tenha sido utilizado noutros trabalhos. Quanto à distância de segurança, a que o Jumbo deverá estar do local de detonação, poderá existir uma discrepância entre valores, seja de projectos para projectos ou até mesmo aconselháveis pelo fabricante. Contudo, uma distância de segurança entre os 400 e os 500 metros é uma distância aceitável, caso o túnel se apresente como uma linha recta. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 94 Ao nível da potência, a possibilidade de escolha, no software, entre as três potências referidas, torna-se relevante, visto que a utilização de uma potência entre elas é a preferencial em projectos de escavação de túneis. A introdução da influência das características do maciço rochoso torna-se importante, visto que como referido anteriormente, a geologia do maciço rochoso é o grande influenciador de todo o projecto, podendo-o até tornar inviável. Desta forma, e após o debate com um especialista na matéria da perfuração, seja como operação ou equipamentos, decidiu-se seguir o caminho de dividir a geologia, ao nível da sua dureza, nos três seguintes grupos:  Rochas Moles: Material rochoso em que são atingidas as maiores velocidades de penetração. Equivalentes, como observado nas figuras anteriores, aos valores atingidos nos calcários.  Rochas Médias: Rochas em que a velocidade de penetração se encontra entre a atingida para as rochas moles e as rochas duras. A nível gráfico, os valores de velocidade encontram-se entre os valores para os calcários e para os granitos.  Rochas Duras: Material rochoso que fornece maior resistência a perfuração, sendo neste material que se atinge as menores velocidades. Os valores de penetração para Rochas duras são equivalentes aos obtidos para os granitos, nos gráficos anteriores. Numa primeira perspectiva, a divisão da geologia, apenas em três grupos, poderá apresentarse como minimalista, podendo criar dúvidas da sua representatividade ao nível das velocidades de penetração, principalmente, devido a não serem admitidas as condições de fracturação do maciço rochoso, que leva a grandes diferença na velocidade de penetração e até mesmo à paragem da operação, devido aos bits de perfuração ose prenderem. Também com o especialista foi debatida esta situação, sendo que se conclui que o problemas da fracturação do maciço rochoso são, na sua maioria, evitados ou corrigidos quando o operador do equipamento de perfuração é experiente ou quando os Jumbos de perfuração são modelos mais recentes, possuindo tecnologias que evitam ao máximo estes problemas, através da análise por sensores. Importante referir, que a classificação apresentada quanto à dureza do maciço rochoso, será também ela utilizada para a quando o estudo da durabilidade do aço de perfuração. Quanto ao diâmetro dos furos, foi possível observar que os comerciantes fornecem informações, quanto à velocidade de penetração, para valores entre os 40 e os 100 milímetros. Apesar da importância do conhecimento da variação da velocidade de penetração para uma tão larga gama de diâmetros, para projectos de escavação de túneis, tal como debatido, são preferências os diâmetros próximos aos 48 milímetros. Apesar de poderem ser utilizados outros diâmetros de perfuração, a sua diferença para diâmetros mais utilizado (48 mm) não é relativamente grande, como tal, para esta dissertação os valores da velocidade de penetração assumidos serão referentes à perfuração de furos de 48 milímetros. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 95 Pelo exposto, na Tabela 22, podemos observar os valores de velocidade de penetração, fornecidos pela Atlas Copco, para martelos de 12, 16 e 18kW, em que são realizados furos de 48 milímetros em rochas duras, médias e moles. Tabela 22 – Velocidades de perfuração em função da dureza da rocha e potência do martelo Velocidade de Penetração (metros/minuto) para furos de 48 mm Potência Dureza da Rocha Mole Média Dura 12 kW 2.9 2.3 1.8 16kW 3.9 3.3 2.8 18 kW 4.5 3.9 3.3 Observada a Tabela 22, obtemos uma visão mais simples e clara da variação da velocidade de penetração para os diferentes casos possíveis. Para a utilização destes valores na dissertação, os seguintes pressupostos serão assumidos, de forma a simplificar a operações:  Utilização de operadores experientes ou equipamentos de ponta, que evitem, na maioria, os problemas da geologia, nomeadamente a fracturação.  A escolha do bit de perfuração foi realizada adequadamente  Os botões dos bits de perfuração, encontram-se sempre aguçados, evitando o decréscimo da velocidade de perfuração. Bits de perfuração 6.4.1.3 Como abordado, os martelos são os equipamentos responsáveis pela criação dos movimentos que irão realizar o desmonte, seja rotativos ou de precursão, contudo o instrumento que estará em contacto com a rocha, transmitindo-lhe essa energia, serão só bits de perfuração. Os bits de perfuração apresentam uma imensa variedade de estilos, desde o seu tamanho, geometria e matérias constituintes. O diâmetro dos bits de perfuração é fulcral num determinado projecto, pois será com esse mesmo diâmetro que serão realizados os furos da pega de fogo, logo o diâmetro escolhido para eles deverá ser em conformidade com o escolhido no diagrama de fogo. Ao nível da sua composição, estes são normalmente de aço, sendo que na sua face, que estará em contacto com a rocha são encontrados vários botões balísticos, responsáveis pelo desgaste da rocha. Estes botões balísticos são encontrados em diferentes número e disposição, dependendo dos bits, sendo que estas características são importantes, dependendo do material rochoso em causa. Como referido anteriormente, para a manutenção da velocidade de penetração desejada, os botões dos bits deverão encontrar-se aguçados. Quando estes se encontram em mau estado deverão ser substituídos, por novos botões, para que possam ser aguçados por especialistas, de forma a serem utilizados Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 96 novamente. Quanto à sua geometria do bit bem como da disposição dos botões balísticos, poderão ser encontrados vários bits, dependendo da empresa fornecedora, contudo, transversalmente à maioria das empresas, são encontrados os seguintes bits de perfuração:  Bit Normal (Figura 41-A): Apresenta uma forma totalmente redonda, sendo a sua face plana. Ideal para perfuração rochas como o gnaisse e o granito.  Bit Côncavo (Figura 41-B): Neste tipo de bits a face deixa de ser lisa, tendo uma concavidade. Adequa-se para o mesmo tipo de rochas do bit normal, contudo apresenta um menor desgaste do aço.  Bit Heavy-duty (Figura 41-C): Apresenta uma geometria similar aos bits normais, contudo a sua maior resistência, possibilita a perfuração de rochas mais duras, que contenham mais quartzo e pirite, sem um grande desgaste do aço. Poderão ser comprados com a face plana ou côncava. Nos últimos anos têm sido introduzidos bits Extra Heavy-duty, ainda mais resistentes que os bits heavy-duty.  Bit Retrac (Figura 41-D): Estes bits apresentam ranhuras laterias, podendo ter a face plana ou côncava. As ranhuras oferecem uma grande estabilidade e direcção ao bit, permitindo a realização de furos direitos. Para além dessa vantagem, estas ranhuras são bastante úteis quando se deseja retirar o bit de furos realizados em rochas muito fracturados, em que poderá ocorrer o colapso, prendendo o bit.  Bit inserção (Figura 41-E): Estes bits, poderão ser considerados os mais simples, apresentam na sua face uma cruz, que realiza a perfuração da rocha, essencialmente quando as exigências do furo, principalmente a sua direcção, não são muito altas. Figura 41 – Exemplo de alguns Bits de perfuração comercializados pela Atlas Copco: A- Normal; B- Côncavo; C- Heavy Duty; D- Retrac e E- Inserção (Atlas Copco, 2008) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 97 Como podemos observar, apenas por estes cinco tipos de bits de perfuração, a variedade é muita, mesmo dentro de um mesmo fornecedor. Tal variedade ocorre devido as vantagem eu cada tipo de bit oferece, e função das características do maciço rochosos, das exigências do projecto e operação ode perfuração, das velocidades de perfuração desejadas, etc. Em função da geologia do maciço rochoso, fundamentalmente da sua dureza, a Atlas Copco, apresenta um diagrama que auxilia na decisão de escolha do melhor bit para a perfuração, como é possível observar na Figura 42. Como podemos ver, na escolha dos bits é a dureza da rocha é divida em três classes, tal como realizado para esta dissertação: Dura (Hard), Média (Medium) e Mole (Soft). Figura 42 – Relação entre o design do Bit de perfuração e a dureza do material rochoso, segundo a Atlas Copco (Atlas Copco, 2008) Quanto aos bits de perfuração, o seu desgaste, devido ao exigente e prolongado impacto com o material rochoso, é muito alto, comparativamente com os outros aços de perfuração. Sendo por isso, que as empresas produtoras têm realizado bastantes investimentos na investigação e desenvolvimento de bits com maior durabilidade e baratos. Do bit, no seu todo, os botões balísticos são aqueles que sofrem o maior desgaste de toda a peça, pois são eles os agentes fragmentadores. De forma geral, quando os botões são totalmente consumidos o bit deixa de ser operacional, contudo, para reduzir os custos de substituição dos bits de perfuração, tem sido aplicada uma política de substituição apenas dos botões balísticos, permitindo assim que o corpo do bit seja reaproveitado. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 98 Hastes 6.4.1.1 Outra das ferramentas muito utilizadas na operação de perfuração são as hastes, que realizam a conexão entre o bit de perfuração e martelo, transmitindo a energia deste ultimo até ao bit. Comparativamente com os martelos ou bits, as hastes apresentam uma maior simplicidade técnica e estrutural, já que são comparadas com longos ferros cilíndricos. Apesar da sua simplicidade, estas ferramentas são muito importantes, pois sem elas não ocorreria avanço na perfuração do maciço, conseguido através da sucessiva conexão, ou emboquilhamento, de hastes, umas nas outras, permitindo assim o constante avanço. O emboquilhamento entre hastes obriga a pequenas paragens na perfuração de furos, levando a que no final da perfuração de uma pega de fogo, se realizem, no total, paragens relevantes. Focando-se neste problema, as empresas fornecedoras destes produtos têm apresentado hastes com conexão rápida, que levam a paragens muito pequenas, bem como equipamentos que se colocam nos braços de perfuração dos Jumbos, que realizam a conexão entre hastes automaticamente. Estes avanços levam a gastos temporais no emboquilhamento cada vez mais reduzidos. Ao nível da sua comercialização, estas apresentam-se no mercado numa variada gama de comprimentos e diâmetros. Ao nível do diâmetro a escolha deverá ser realiza em concordância com o diâmetro do bit, sendo geralmente o diâmetro da haste um pouco menor do que deste último. Quanto ao seu comprimento, deverá ser levado em conta o comprimento total a furar, sendo que o comprimento das hastes a utilizar deverão permitir escolher um número eficiente de hastes, isto é, por furo deverão ser utilizados o menor número de hastes possíveis, visto diminuir o tempo despendido na sua conexão. Figura 43 – Hastes de perfuração e as suas diferentes conexões (Rock Excavation Handbook Tamrock, 1999) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 99 Durabilidade do Aço de Perfuração 6.4.1.2 Como é do conhecimento, quando ocorre a referência ao aço de perfuração numa actividade mineira, está-se a englobar, principalmente os instrumentos que interferem nesta operação, realizando, efectivamente, a actividade de perfuração. Dentro do grupo de aço de perfuração, são englobados principalmente os bits de perfuração e as hastes, pois como observado anteriormente, tem um papel importantíssimo. Para além destes dois instrumentos, são ainda considerados as uniões das hastes, os encabadouros e os adaptadores de bits, muito utilizados para quando se pretende realizar perfurações com bits de dimensões diferentes das hastes, como ocorre na perfuração dos furos de caldeira. Na Figura 44 podemos observar, as diferentes peças e instrumentos encontrados, de forma geral, no aço de perfuração de um desmonte subterrâneo, como a escavação de um túnel. Como podemos observar existem diferentes instrumentos e peças, sendo que estão representados os seguintes: 1- adaptador de conexão entre hastes e martelo de perfuração, 2- conexões entre hastes, 3- hastes e 4- bit de perfuração. Figura 44 – Aço de perfuração: principias instrumentos constituintes (López Jimeno, 2003) O agrupamento destes instrumentos, afectos à operação de perfuração, e o seu estudo é extremamente importante, devido ao seu extremo desgaste, provocado pelas características das suas funções e pela extrema utilização. Dentro de todos os aços de perfuração, sem dúvida que os bits de perfuração são aqueles que são sujeitos a um desgaste mais intenso, em particular os seus botões, pois são estas as responsavam pelo desgaste real da rocha, que originará a perfuração. Sabendo-se que o aço de perfuração é alvo de um intensivo desgaste torna-se fundamental o seu estudo, de forma a reduzi-lo, a partir da investigação e desenvolvimento de novas tecnologias. Os comerciantes destes instrumentos, tem apresentado, ao longo do tempo diferentes instrumentos, com diferentes formas e materiais, de forma a prolongar a sua vida útil. Na indústria mineira, a vida útil dos aços de perfuração é contabilizada em metros, sendo apresentada a vida de um instrumento pelos metros que poderá furar, até à sua inutilização. Este tempo de vida depende do tipo de aço de perfuração em causa, dos materiais de fabrico, da intensidade da utilização, mas é influenciado, principalmente, pelas características do maciço rochoso a ser perfurado, sobretudo a sua dureza. Ao nível da geologia do maciço, é facilmente perceptível, que quanto mais duro for o maciço maior será o desgaste do aço de perfuração, visto que o maciço irá exercer uma maior Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 100 resistência à sua perfuração. Desta forma, é facilmente compreensível, que quanto maior for a velocidade de perfuração, menor será o desgaste do aço de perfuração e vice-versa. Possuindo este conhecimento, não se torna descabido relacionar a vida útil do aço de perfuração com as três classes de dureza anteriormente (Mole, Média e Dura). Ocorrendo o desgaste constante do aço de perfuração, que exige a sua substituição, para que a operação de perfuração, e consequentemente o projecto, prossiga, torna-se importante a previsão da quantidade de instrumentos, pertencentes ao aço de perfuração, que serão utilizados durante todo o projecto. Esta previsão apresenta um papel importante, principalmente a nível económico, pois durante todo um projecto as despesas relativas ao aço de perfuração poderão ser relevantes, principalmente para tuneis longos, que exigem que sejam perfurados quilómetros de perfuração. Uma pequena nota, para o caso dos bits de perfuração, que como referido são os instrumentos que apresentam um desgaste mais intenso, principalmente os seus. Para estes instrumentos, devido aos botões se desgastarem mais rapidamente que o corpo do bit, é prática comum o aguçamento ou a substituição apenas dessas pastilhas, mantendo-se o corpo do bit. O aguçamento das patilhas, quando possível, ou a sua substituição leva a que as despesas com o aço de perfuração sejam relativamente reduzidas, bem como já referido, à manutenção dos níveis elevados de perfuração, traduzidos pela velocidade de penetração. Regras Básicas 6.4.1.3 Quanto à perfuração efectiva do maciço rochoso, algumas “regras” são aconselhadas, baseadas no intensivo estudo e na experiencia acumulada. Quanto ao diâmetro desses mesmos furos, existe uma variada gama de dimensões possíveis, dependendo das dimensões do bit de perfuração. Para a escolha do diâmetro a ser utilizado, o furo deverá apresentar uma dimensão suficiente para receber os explosivos eleito, porém devera ser suficientemente pequeno para, não existirem espaços vazios, entre as paredes do furo e o explosivo. Estes espaços vazios são um grande problema a nível da eficiência dos explosivos, pois a quando da detonação destes, parte da sua energia é transferida para o ar nesse vazio e não para o maciço rochoso, como desejado. Ao nível dos diâmetros de furação é importante ter em conta os furos de caldeira, decididos para o nosso diagrama de fogo, pois caso a caldeira escolhida apresente furos de maior diâmetro, é necessário levar em conta os bits de perfuração para realizar os furos com o diâmetro necessário. Outra das grandes atenções na realização da perfuração de maciços rochosos, para a escavação de túneis, é o ângulo de perfuração dos furos, principalmente dos furos de contorno. Quando se realiza a perfuração deste grupo de furos, é aplicado na sua direcção um pequeno ângulo, designado como ângulo de saída, com o objectivo de estes não serem paralelos aos demais furos, precavendo desta forma constante diminuição das dimensões do túnel, quando estes furos são realizados estritamente paralelos. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 101 Determinação do Tempo de Operação de Perfuração 6.4.2 Conhecidos os principais equipamentos e ferramentas afectos à operação de perfuração, poderá ser realizado a estimação temporal da duração desta operação, dentro de um determinado ciclo de trabalho. A metodologia aplicada para o estudo desta operação baseiase, inicialmente, na divisão da operação em duas actividades, que lavarão à criação de dois tempos: Tempo Auxiliar e Tempo Efectivo de Perfuração. Quando nos referimos ao Tempo Auxiliar da operação de perfuração, aludimos aos tempos despendido para além da operarão “real” de perfuração. Estas operações, designadas como actividades auxiliares podem ser divididas nas seguintes actividades:  Emboquilhamento das hastes de perfuração: Ocorre à medida que o furo vai aumentado o seu comprimento, sendo que a adição de novas hastes à coluna de perfuração, permite o contacto permanente do bit de perfuração com o material rochoso a perfurar.  Saída das hastes de perfuração: Esta actividade ocorre após terminada a perfuração de todo o comprimento desejado, sendo que ocorre a saída de todo o aço de perfuração, de forma progressiva. Sendo retiradas as hastes de perfuração anteriormente emboquilhadas e o bit de perfuração, em último lugar. Para cada furo o tempo auxiliar de perfuração será então o seguinte: (Eq. 11) Estas duas operações são exigidas para a realização de cada um dos furos da pega de fogo, sendo então o número de furos da pega e o número de braços de operação os grandes influenciadores do Tempo Auxiliar. (Eq. 12) = Tempo auxiliar despendido na operação de perfuração. = Número de furos da pega de fogo. = Número de cabeças de perfuração, que realizarão a perfuração. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 102 Quanto ao Tempo Efectivo de Perfuração, que contabiliza o tempo despendido entre o instante inicial em que se inicia a perfuração e o instante final, quando se inicia a retirada do aço, sem contabilizar as paragens referentes ao emboquilhamento de hastes, existem vários factores influenciadores, levando a que a sua expressão de cálculo apresente uma maior complexidade, relativamente ao Tempo Auxiliar. Os principais factores influenciadores do Tempo Efectivo de Perfuração são:  Número de furos: O objectivo principal desta operação é a realização dos furos exigidos pelo diagrama de fogo, como tal, o número de furos determinados no dimensionamento da pega de fogo é um dos principais factores que pesa no tempo de perfuração. Como visto atrás, o número de furos do diagrama depende da área de secção do túnel de forma directa, por isso podemos concluir que quanto maior fora a área de secção túnel, maior será o numero de furos exigido pelo diagrama de fogo, logo maior será o tempo de perfuração.  Comprimento da Pega de fogo: Para além do número de furos, o comprimento da pega de fogo, é outros dos factores de grande peso no tempo de perfuração, quanto maior for o comprimento da pega de fogo, mais metros serão necessários perfurar por cada pega de fogo, logo maior será o tempo de realização desta operação. De uma forma geral o comprimento de pega depende da área de secção do túnel, contudo as características do maciço rochoso apresentam um papel importante. Se em certos tramos do túnel o maciço apresentar características fracas é muitas das vezes aconselhável a redução do comprimento do túnel.  Velocidade de Perfuração: Como observado, e resumido na Tabela 22, a velocidade de perfuração poderá ser bastante distinta, dependendo de diferentes factores, sendo para esta dissertação a dureza da rocha a perfurar e a potência do martelo utilizados os influenciadores levados e conta. A velocidade de perfuração será um dos maiores influenciadores do tempo efectivo de perfuração, tal como da operação de perfuração. Como será observado, a duração da operação de Perfuração é inversamente proporcional à velocidade de perfuração.  Número de braços de perfuração: Como referido os Jumbos de perfuração, possuem usualmente entre 1 e 4 braços de perfuração. Os braços de perfuração de um Jumbo são bastante independentes entre si, podem trabalhar em simultâneo, poupando assim bastante tempo de perfuração. O tempo de perfuração é então inversamente proporcional ao número de braços, por outras palavras, quantos mais braços o Jumbo possuir, menor será o tempo de perfuração. Conhecidos os factores influenciadores da operação de perfuração efectiva, podemos traduzir a sua duração temporal através da Equação 13. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 103 ( ) ⁄ (Eq. 13) = Tempo despendido na perfuração efectiva, em minutos = Número de furos na pega de fogo = Comprimento da pega, em metros = Velocidade de perfuração, em metros por minuto = Número de braços de perfuração Realizado o estudo teórico das actividades constituintes da operação de perfuração, bem como a sua tradução para uma linguagem matemática, torna-se possível a construção da Equação 14, que possibilita a estimação da duração temporal da Operação de Perfuração . ( ) (Eq. 14) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 110 A ligação de detonadores eléctricos, poderá ser realizada em dois circuitos diferentes. As ligações poderão ser realizadas num circuito em série, como exemplificado na Figura 46, aconselhável para pegas com um número reduzido de furos, enquanto uma ligação em circuito paralelo, como observado na Figura 47, poderá ser utilizada para ser utilizada para todas as pegas, sendo aconselhável para aquelas em que estas envolvidos u grande número de furos e denotadores. Ambas as metodologias exigem um conhecimento alargado sobre a construção de circuitos eléctricos e o cálculo de resistência eléctricas de cada circuito, pois a eficiência da detonação depende de um circuito de detonação de qualidade. Quando as ligações estão completas, é prática comum, serem realizados testes do circuito, para observar se as ligações estão correctamente realizadas. Estes testes tentam descobrir se o circuito eléctrico, paralelo ou em série, está “fechado”, e podem ser utilizados instrumentos como o Ohmímetro ou o Circuit Tester. Como podemos perceber a ligação de detonadores eléctricos apresenta uma complexidade relevante, devido a se estar a trabalhar com correntes e circuitos eléctricos. Essa complexidade está presente no tempo de ligação de uma pega de fogo, que é bastante superior, em média, à ligação de detonadores não-eléctricos. Figura 46 – Esquema de uma ligação, de detonadores eléctricos, em série (Rock Excavation Handbook Tamrock, 1999) Figura 47 – Esquema de um circuito, de detonadores eléctricos, em paralelo (Rock Excavation Handbook Tamrock, 1999) A ligação de detonadores não-eléctricos, apresenta-se como sendo mais simples, quando comparada com a ligação de detonadores eléctricos. Para detonadores não-eléctricos podem ser realizadas três tipos de ligações, direccionados para diferentes tipos de desmonte. Entre as três metodologias, uma direccionada para o desmonte a céu aberto, outra para desmonte em bancadas, à superfície ou subaquáticas e outra para desmonte subterrâneo, a grande diferença passa muito pelos atrasos utilizados entre cada grupo de furos, traduzido por diferentes intervalos de retardos. Porém na metodologia de ligação ambas técnicas são bastantes semelhantes, a ligação dos fios, conectados aos detonadores, que saem de cada furo são Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 111 conectados com conectores ou retardos, normalmente de plástico, ao fio detonante que passa por toda a frente de desmonte, sendo depois este conectado ao fio que será ligado ao equipamento de iniciação. Como podemos perceber, e observando a Figura 48, a ligação de detonadores não-eléctricos não é tão complexa como os detonadores eléctricos, sendo por isso a sua velocidade de ligação superior. Figura 48 – Esquema de uma frente de desmonte de um túnel, com a ligação de detonadores não-eléctricos (Rock Excavation Handbook Tamrock, 1999) Pelo referido a duração da Operação de ligação será influenciado pelos seguintes factores:  Número de furos: Sendo a operação ligada à ligação dos furos d apega de fogo, é importante relacionar a velocidade da operação com o número de furos da pega de fogo, pois se a pega for de 30 furos, só terão de ser realizadas 30 ligações, enquanto que se a pega tiver 60 furos, terão de ser feitas o dobro da ligações, que exigem ao dobro do tempo. Desta forma o número de furos influenciará directamente o tempo da operação.  Número de Operadores: Sendo esta operação realizada pelo operadores, podendo ser auxiliados por equipamentos ou instrumentos, é fundamental a relacionar o número de operadores afectos à operação com a sua duração, sendo essa relação inversamente proporcional, tal como acontece em outras operações realizadas por operadores.  Velocidade de ligação: Como referido, a velocidade de ligação será influenciada pela metodologia, isto é, pelos detonadores utilizados. Entre os detonadores possíveis, a velocidade de ligação com detonadores não-eléctricos é aproximadamente quatro vezes superior. A velocidade será apresentada em função do número de furos ligados por minuto. Na Tabela 23, podemos observar valores comuns, da velocidade de ligação de furos, em função dos detoandores utilizados Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 112 Tabela 23 – Relação entre o tipo de detonadores a ser utilizados e a velocidade da operação de ligação Detonador Número de furos ligado por minuto ( ) Não-eléctrico 2 Eléctrico 0,5 Em concordância com os factores influenciadores no tempo da operação, podemos determinar o tempo despendido na Operação de Ligação empregando a Equação 19. (Eq. 19) = Tempo total da operação de ligação, num ciclo de trabalho, em minutos = Número de furos da pega de fogo = Número de furos ligados em um minuto = Número de operadores afectos a operação ode ligação da pega de fogo Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 113 6.7 OPERAÇÃO DE SAÍDA DOS OPERADORES E DISPARO DA PEGA DE FOGO Apôs terminada a operação de ligação, do explosivo da pega de fogo, para que seja realizada a sua detonação, são realizadas as seguintes operações: Saída dos Operadores 6.7.1 Apôs terminada as Operação de Carregamento e de Ligação da pega de fogo, os operadores responsáveis por estas, tem de se retirar do túnel, colocando-se em posições de segurança. Tal como os operadores, os equipamentos deverão ser posicionados a uma distância de segurança, de forma a não serem danificados, durante a detonação da pega de fogo. Para além dos requisitos e normas de segurança, principalmente quanto à distância considerada de segurança, que muitas das vez obriga a saída efectiva do túnel, outros factores são importantes de serem considerados. O tempo necessário para a saída dos operadores é fortemente dependente do nível de avanço de construção do túnel, isto é, da distância total já escavada no maciço. Quanto maior for o avanço da construção do túnel, maior será a distância entre a frente de desmonte, onde os operadores vão realizar a operação de carregamento, e a boca do túnel, local que, regra geral, é considerado como local de segurança. Como essa distância vai aumentado à medida que a construção avança, o tempo necessário para a saída dos operadores do túnel será maior, dependendo então o tempo desta actividade do comprimento de túnel aberto. Quanto à velocidade de saída dos operadores, importante para o cálculo do tempo desta actividade, é possível realizar uma divisão em duas partes. Inicialmente, quando o túnel ainda apresenta uma curta extensão os operadores podem realizar a actividade a pé, enquanto a partir de um certo comprimento do túnel torna-se inviável que os operadores se desloquem a pé, tendo esse trajecto de ser realizado em algum equipamento motorizado, como um jeep. Como é lógico, a velocidade de locomoção a pé será significativamente menor, quando comparada com a velocidade de um meio de transporte motorizado. Desta forma para o cálculo do tempo despendido na saída poderia se realizar a divisão para as duas velocidades, contudo para o transporte dos explosivos, sejam eles encartuchados ou em emulsão, dos detonadores e outros instrumentos auxiliares necessários para a detonação da pega de fogo, são utlizados equipamentos de transporte, pois poderá se tratar do transporte de grandes volumes e cargas. Logo admitindo-se que quando se der a saída dos operadores também terá de ocorrer a saída desses meios de transporte, não é descabido admitir que a velocidade de saída dos operadores será correspondente à velocidade de saída realizada por um veículo motorizado, independentemente das distâncias percorridas. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 114 Pelo referido poderíamos então estudar o tempo de duração desta actividade, segundo as velocidades de deslocação e as distancia a percorrer, para cada ciclo de trabalho, obtendo-se a Equação 20. (Eq. 20) Uma abordagem matemática, como a anterior, levaria a que o tempo de saída do pessoal tivesse um comportamento crescente ao longo da evolução do projecto, acrescendo assim a sua complexidade de estudo. Para contrariar a complexidade acrescida da metodologia anterior, foi decido, baseado em diálogos com especialista no assunto, que poderia ser admitido uma duração da actividade constante, para todo o projecto, baseado em experiencias e valores razoáveis. A escolha desta metodologia, para esta dissertação, é baseada nos pressupostos que a saída do pessoal apenas é realizada uma única vez durante todo o ciclo de trabalho e que para distâncias muito curtas a saída possa ser feita a pé e que para distancia mais longas a saída seja realizada por meios motorizados, o que leva a que a o tempo da actividade presente uma pequena variância ao longo de todo o projecto. A partir deste pressuposto, o estudo mais pormenorizado desta actividade, ao nível dos seus factores influenciadores, poderá ser um grande complemento, de futuros trabalhos, para esta dissertação. Detonação da Pega de Fogo 6.7.1 Findada toda a preparação e ligação da pega de fogo, e estando todo o túnel livre, sem operadores e equipamentos, é realizada a detonação da pega de fogo, com o objectivo de desmontar a frente do túnel. Está operação é relativamente rápida, sendo que a sua duração de alguns minutos se deve a motivos de segurança, pois são emitidos em toda a área de construção vários sinais sonoros, com o objectivo de identificar o momento de detonação da pega de fogo. O tempo de demora desta actividade é admitido como constante para todas as pegas de fogo, pois a influência do número de furos da pega de fogo ou até mesmo do tipo de detonadores utilizado pode ser considerada insignificante. Sendo assim podemos relacionar o tempo de duração da actividade de Detonação com o tempo de segurança. (Eq. 21) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 115 Em suma, analisando as duas actividades, com o propósito de estimar o tempo de duração de um ciclo de trabalho e consequentemente o tempo de duração de um projecto, podemos admitir uma duração constante para toda a operação de Saída dos operadores e Detonação, podendo ser a atribuição deste valor de duração baseado em experiencias anteriores, de outros projecto. Como será observado, quando estudado o utilitário informático, para esta dissertação, foi admitido uma duração de 20 minutos, para esta operação, como um valor bastante fiável e representativo. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 116 6.8 OPERAÇÃO DE VENTILAÇÃO Após realizada a detonação da pega de fogo, é necessário um período de tempo para realizar a ventilação da área próxima da frente do túnel desmontado. Como observado anteriormente, quando falado sobre os explosivos, estes durante a sua detonação libertam grandes volumes de gases, podendo partes destes possuir características tóxicas, nefastas para o Homem. Um ambiente fechado, como um túnel, com grandes volumes de gases, possivelmente tóxicos, seria extremamente perigoso para todos os operadores que se movimentassem nesse local, por tal perigo para os operadores, principalmente aqueles que irão realizar o saneamento da secção do túnel desmontado, é essencial uma ventilação eficaz. Considera-se uma ventilação eficaz, aquela em que, num determinado período de tempo, se consegue repor as condições atmosféricas naturais e não-perigosas para o Homem, isto é, nesse período de tempo deverá ocorrer a expulsão dos gases, originados pela detonação da pega de fogo, e a reposição dos níveis de oxigénio para valores aceitáveis. Para além do objectivo referido, a ventilação poderá ter o objectivo de:  Fornecer oxigénio para o interior do túnel  Remover gases libertados pelos equipamentos que se movimentam dentro do túnel.  Remover poerias originados pela perfuração do maciço e pelo movimento dos equipamentos e operadores  Mantêm a temperatura do túnel estável, em valores confortáveis para os operadores Num projecto de escavação de túnel, como referido vários gases tóxicos e nocivos são criados, pela detonação dos explosivos ou pelos equipamentos. Principalmente, na frente de desmonte, onde os operadores passaram mais tempo, deverá ocorrer um controlo ao minuto dos seguintes gases: óxido de nitrogénio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, amoníaco e de oxigénio, bem como, mesmo não sendo um gás, da concentração de poeiras suspensas no ar. Como referido a ventilação ocorre durante um período de tempo, que poderá variar de situação para situação, sendo principalmente influenciado por:  Volume de gases formado: Conhecendo-se o diagrama de fogo e os explosivos que serão utilizados facilmente se determina o volume total de gases que será formado pela detonação de toda a pega de fogo.  Tipo de gases formado: Realizar a ventilação de gases tóxicos poderá obrigar a um período mais longo de tempo, servindo como uma medida de segurança muito importante para os operadores.  Tipo de ventilação: A ventilação poderá ser realizada de forma insuflante, aspirante ou ambos.  Potência dos equipamentos de ventilação: Dependendo da potência dos equipamentos de ventilação, diferentes volumes de ar poderão ser movidos, quanto Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 117 maior for a sua potência, maior será a capacidade e como esperado, menor será o tempo necessário de ventilação.  Distância da frente desmontada à boca do túnel: Quando mais próximo à frente de desmonte estiver da boca do túnel, mais rápida e eficaz será a ventilação. Se a frente e desmonte estiver a poucas dezenas de metros da boca do túnel a ventilação é realizada quase de forma natural e rápida, sem exigir o apoio de equipamentos. Contudo quanto maior for a distância entre estas duas zonas maior será a dificuldade de ventilação, obrigando ao movimento de grandes volumes de ar ao longo de longo de grandes distâncias, exigindo assim um período de ventilação superior. A ventilação natural, sem o apoio de equipamentos dificilmente é realizada em túneis, onde a sua escavação é realizada pelo método de Perfuração e Detonação, pois desta forma o tempo da operação seria extremamente longo, principalmente à medida que o túnel fosse aumentado o seu comprimento, isto é, à medida que a zona a ser ventilada fosse se afastando da boca do túnel. Não sendo possível uma ventilação natural, é então necessário a utilização ode equipamentos que acelerem a operação, mantendo uma grande eficiência. Os principais equipamentos encontrados num sistema de ventilação subterrâneo são:  Ventilador Este equipamento tem como objectivo movimentar o ar/gases, através de si, graças ao movimento de pás giratórias. Estes equipamentos, de forma geral, permite o movimento nos dois sentidos, possibilitando o sue uso nas técnicas de ventilação inflante e aspirante. Estes equipamentos são comercializados em diferentes dimensões e com várias potências, sendo a suas capacidades de movimentação dependentes dessas características. De uma forma geral, ao ventilador principal, responsável pelo movimento do fluxo de ar/gás designa-se por ventilador primário, estando colocado numa das extremidades das mangas de ventilação. Para além deste, e ao longo das mangas poderão existir mais ventiladores, neste caso secundários, de forma a apoiar na ventilação.  Mangas de ventilação Estas estruturas, normalmente fabricadas com plásticos resistentes, estão conectadas aos ventiladores, e tem como objectivo receber o ar ou gás, movimentado pelo ventilador, encaminhando-o, sem o dispersar, para o deu destino. As mangas de ventilação são comercializadas em diferentes diâmetros e comprimentos, devendo-se adequar as exigências. Na Figura 49, pode-se observar o exemplo de uma manga de ventilação, dentro de um túnel. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 118 Figura 49 – Mangas de ventilação para trabalhos subtrrâneos (http://soveper.lda.pt/ventilacaominast.html) Apesar de os equipamentos de um sistema de ventilação ode um túnel, não variarem muito de projecto para projecto, a sua organização pode ser alterada, originando sistemas com características diferentes e com valências próprias, ideias para diferentes tipos de projectos. Desta forma, os principais sistemas de ventilação aplicáveis são:  Ventilação Insuflante Nesta técnica de ventilação, é realizada a introdução de ar fresco, proveniente do exterior do túnel, para a frente de desmonte de forma mecânica. Com a introdução do novo ar, os gases presentes no local serão “empurrados para o exterior, ao longo do túnel. Nesta técnica o ventilador primário situasse na boca do túnel, injectando ar fresco na manga do túnel. Esta configuração apresenta-se como a mais utilizada, principalmente na escavação de túneis, comparativamente com os outros sistemas de ventilação. Pois com a ventilação insufalnte, a medida que o túnel avança, só existe a necessidade de acrescentar mais manga de ventilação a extremidade existente. Na Figura 50 podemos observar o esquema da frente de desmonte de um túnel, onde se realiza a ventilação insuflante. Figura 50 – Esquematização da ventilação insuflante de um túnel (Rock Excavation Handbook Tamrock, 1999) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 119  Ventilação aspirante Contrariamente à ventilação insuflante, os gases da frente de desmonte são removidos de forma mecânica. A aspiração dos gases para o exterior, através da manga de ventilação, leva a que o ar fresco entre naturalmente pelo túnel. Neste caso o ventilador primário estará localizado dentro do túnel próximo á frente de desmonte, aspirando os gases e poeiras para a manga de ventilação. Através da Figura 51 podemos observar os princípios básicos da aspiração aspirante, na frente de desmonte de um túnel. Figura 51 – Esquematização da ventilação aspirante de um túnel (López Jimeno, 2003)  Ventilação simultânea Neste caso, são combinadas as técnicas de ventilação insuflante e aspirante, colocando-se dois conjuntos de equipamentos de ventilação, responsáveis por cada uma das técnicas. Esta ventilação é muito mais rápida e eficiente do que as anteriores, sendo aconselhável quando o ambiente gasoso é extremamente nocivo e/ou o túnel apresenta um comprimento demasiado grande, que dificulta a entrada ou saída de ar/gases de forma natural. Observando a Figura 52 podemos compreender os trabalhos de ventilação simultânea, que ocorrem na frente de desmonte de um túnel. Figura 52 – Esquematização da ventilação simultânea de um túnel (Rock Excavation Handbook Tamrock, 1999) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 126 ∑ ∑ (Eq. 29) De seguida as duas operações constituintes da Operação de Limpeza da Frente serão debatidas, de forma a serem descortinadas as suas diferenças e, principalmente, as suas importâncias, a nível temporal, para um ciclo de trabalho. Correlacionado com as expressões anteriores, serão apresentados variados tempos de operações, sendo focados principalmente os tempos efectivos, relacionados com a produção efectiva (máxima) dos equipamentos. Actividade Carga 6.2.1 A actividade de carga do escombro, não só para um ciclo de trabalho referente à escavação de túnel, mas para muitos dos ciclos de trabalho encontrados em projectos mineiros, é definido como a operação responsável pelo movimento do material rochoso desmontado, entre a frente de desmonte e o equipamento de transporte. Esta actividade é realizada por equipamentos especializados para a operação, como é exemplo a pá carregadora. Um equipamento de carga realiza determinados movimentos, que no seu agregado são definidos como o ciclo elementar do equipamento, para completar um processo de carga do material e posterior carregamento do equipamento de transporte. Equipamentos de carga 6.2.1.1 Como referido, existem diferentes tipos de equipamentos de carga, que devido à sua estrutura oferecem diferentes soluções, para diferentes problemas. A LHD e as pás-carregadoras são as mais comuns, em projectos de escavação de túneis e serão de seguida apresentadas, contudo poderão ainda ser utilizadas escavadoras hidráulicas ou equipamentos de carga contínua.  Load Haul Dump: Ao nível dos equipamentos de carga as LHD são sem dúvida as mais utilizadas em projectos de escavação de túneis, devido à sua rapidez, eficiência e versatilidade comparativamente com outros equipamentos. As vantagens que mais destacam estes equipamentos são:  Eficiente distribuição do peso pelo equipamento  Baldes de grandes capacidades  Estabilidade numa grande variedade de superfícies  Velocidades de deslocação altas, mesmo com o balde totalmente carregado Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 127 Figura 55 – Load Haul Dump: Scooptram ST1530 da Atlas Copco (www.atlascopco.pt)  Pá carregadora: Estes equipamentos são bastante utilizados em actividades de carga, devido à sua grande mobilidade, versatilidade e económica, comparativamente com outros equipamentos, principalmente a LHD. Para além destas vantagens, estes equipamentos apresentam baldes de grandes dimensões, o que é bastante interessante para determinados projecto. Estes equipamentos são principalmente aconselháveis para distâncias de carregamento curtas, isto é, para distâncias entre o material desmontado e a unidade de transporte curtas. Apesar das suas grandes vantagens, estes equipamentos exigem terrenos de trabalho sólidos, bem como alguns problemas de travagem, comparando com escavadoras hidráulicas. Para esta dissertação, os equipamentos de carga utilizados serão apenas as pás carregadoras, pois apenas se possuem dados temporais, sobre os movimentos destes equipamentos. Figura 56 – Pá-carregadora: 972H da CAT (www.cat.com) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 128 Ao nível da escolha do equipamento a ser utilizado, diversos parâmetros deverão ser pensados, principalmente as suas dimensões. Evidentemente que o equipamento escolhido deverá apresentar dimensões inferiores à área de secção do túnel, para que possa de deslocar dentro do túnel. Tal como para as unidades de transporte, o utilitário informático não imporá nenhum valor para a dimensões do equipamento, traduzido de forma geral pelo volume do balde, sendo que deverá partir por parte do utilizador a precaução para quais quer problemas relacionados com esta escolha. Ciclo Elementar de um Equipamento de Carga 6.2.1.2 Como referido, um equipamento de transporte, para realizar a tarefa para o qual foi concebido, realiza um determinado conjunto de movimento, designado como ciclo elementar. Para uma pá carregadora esse ciclo de carregamento é definido pela seguinte sequência de movimentos elementares: 1. Aproximação da pá carregadora ao material desmontado 2. Carregamento do balde, caracterizado por movimentos de pequenos recuos e avanços do equipamento, com o objectivo de realizar um enchimento total do balde. Os movimentos do equipamento podem ser acompanhados pelos próprios movimentos da caçamba. 3. Recuo da pá carregadora já carregada 4. Manobra, após o recuo, de forma a direccionar-se para o equipamento de transporte 5. Avanço até ao equipamento de transporte 6. Descarga do material existente no balde para a caixa do camião 7. Recuo da pá carregadora, com o objectivo de reaproximação á pilha 8. Reinício do ciclo elementar Em cada ciclo de trabalho elementar será efectuada a remoção de um determinado volume de material rochoso da frente de desmonte para a caixa da unidade de transporte, sendo que o número de ciclos elementares necessários para realizar o total enchimento da caixa do equipamento de transporte, , dependerá do volume da caixa e do volume do balde do equipamento de carga. O número de ciclos elementares poderá ser designado de uma forma mais simples, como o número de baldes do equipamento de transporte, necessários para encher a caixa da um equipamento de transporte, como pode ser observado na Equação 30. (Eq. 30) Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 129 De referir, que os ciclos elementares dos equipamentos de carga, para além das pás carregadoras, como as DHL, apresentam uma sequência de movimentos muito similares a da pá carregadora, sendo essencialmente os tempo de cada movimento que varia entre os equipamentos. Calculado o número de baldes, da unidade de carga, necessários para encher a caixa da unidade de transporte, torna-se também relevante calcular o número total de baldes para retirar todo o material rochoso desmontado da nova frente livre do túnel, por outras palavras, determinar o número de ciclos elementares do equipamento de carga exigidos para remover todo esse material, traduzido como , na Equação 31. (Eq. 31) Para o estudo do ciclo de trabalho do equipamento de carga, uma das metodologias poderia ser a temporização de todos os movimentos que compõem o ciclo elementar do equipamento, contudo a quantificação de um grande número de movimentos é um trabalho complicado, levando-se ainda em conta que o processo de divisão de movimentos, por vezes muito curtos e rápidos, é eficiente a nível lógico, sendo que no campo prático, muitas das vezes é impossível observar e realizar divisões claras entre movimentos, sendo dificílimo perceber-se onde termina um movimento e onde começa outro. Para se evitar estes problemas, foi se escolhida um abordagem mais simples e compacta, efectuando-se a separação do ciclo elementar de trabalho do equipamento de carga em apenas quatro movimentos, contrastando com os oito movimentos anteriores. Ou quatro movimentos então definidos são:  Movimento de Carga: neste movimento estão contabilizados todas as manobras do equipamento, entre a sua chegada a frente do material rochoso desmontado e o total enchimento do balde do equipamento.  Movimento de Viagem Carregado: conjunto de movimento que o equipamento realiza entre o instante em que o balde está totalmente cheio e o instante em que o equipamento se encontra junto ao equipamento de transporte.  Movimento de Descarga: Movimento de descarga do balde para ca caixa do equipamento de transporte.  Movimento de Viagem Vazio: Grupo de movimentos que o equipamento de carga efectua-a, entre o instante que descarrega todo o seu material e o instante em que se encontra novamente em frente ao material desmontado, pronto a carregar o seu balde. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 130 Com a divisão do ciclo elementar nos quatro movimentos anteriormente referidos, a metodologia de estudo torna-se mais simples, bem como a aquisição de dados em projecto reais. Ao nível matemático podemos definir o tempo do ciclo de elementar e um equipamento de carga, pela Equação 32. (Eq. 32) = Tempo despendido para completar um ciclo elementar de Carga, em minutos = Tempo, do Ciclo elementar de carga, despendido no movimento de Carga = Tempo, do Ciclo elementar de Carga, despendido no movimento de Viagem Carregado = Tempo, do Ciclo elementar de Carga, despendido na Descarga = Tempo, do Ciclo elementar de Carga, despendido no movimento de Viagem Vazio De referir, que para o ciclo elementar de carga, tal como acontecerá para o ciclo elementar de transporte, não são assumidos tempos “mortos”, devido a esperas por outros equipamentos, esperas em filas ou a cruzamentos entre equipamentos. Apesar de estes tempos não serem assumidos na determinação temporal das actividades, não serão esquecidos para o projecto. Pois como veremos, para a duração do projecto entraremos com o rendimento das operações, equipamentos e operadores. Sendo que neste rendimento estarão contabilizadas estas possíveis perdas de tempo. Para o estudo do ciclo de trabalho do equipamento de carga, uma das metodologias poderia ser a temporização de todos os movimentos que compõem o ciclo elementar do equipamento, contudo a quantificação de um grande número de movimentos é um trabalho complicado, levando-se ainda em conta que o processo de divisão de movimentos, por vezes muito curtos e rápidos, é eficiente a nível logico, sendo que no campo pratico, muitas das vezes é impossível observar e realizar divisões claras entre movimentos, sendo dificílimo perceber-se onde termina um movimento e onde começa outro. Para se evitar estes problemas, foi se escolhida um abordagem mais simples e compacta, efectuando-se a separação do ciclo elementar de trabalho do equipamento de carga em apenas quatro movimentos, contrastando com os oito movimentos anteriores. Ou quatro movimentos então definidos são:  Movimento de Carga: neste movimento estão contabilizados todas as manobras do equipamento, entre a sua chegada a frente do material rochoso desmontado e o total enchimento do balde do equipamento. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 131  Movimento de Viagem Carregado: conjunto de movimento que o equipamento realiza entre o instante em que o balde está totalmente cheio e o instante em que o equipamento se encontra junto ao equipamento de transporte.  Movimento de Descarga: Movimento de descarga do balde para ca caixa do equipamento de transporte.  Movimento de Viagem Vazio: Grupo de movimentos que o equipamento de carga efectua-a, entre o instante que descarrega todo o seu material e o instante em que se encontra novamente em frente ao material desmontado, pronto a carregar o seu balde. Com a divisão do ciclo elementar nos quatro movimentos anteriormente referidos, a metodologia de estudo torna-se mais simples, bem como a aquisição de dados em projecto reais. Ao nível matemático podemos definir o tempo do ciclo de elementar e um equipamento de carga, pela Equação 33. (Eq. 33) = Tempo despendido para completar um ciclo elementar de Carga, em minutos = Tempo, do Ciclo elementar de carga, despendido no movimento de Carga = Tempo, do Ciclo elementar de Carga, despendido no movimento de Viagem Carregado = Tempo, do Ciclo elementar de Carga, despendido na Descarga = Tempo, do Ciclo elementar de Carga, despendido no movimento de Viagem Vazio Sendo a actividade de carga do material desmontado, uma repetição de um determinado número de ciclos elementares de carga, e este último devido nos quatro movimentos apresentados anteriormente, é de fácil compreensão, que para a determinação do tempo de duração da actividade, se deve realizar uma temporização de cada um dos movimentos. Para tal objectivo diferentes abordagens poderão ser admitidas, sendo a abordagem empírica e a abordagem matemática as mais aplicáveis. Quando se refere a uma abordagem matemática, pretende-se basear a metodologia de temporização em diferentes variáveis destes, como por exemplo, determinar o tempo de viagem, seja carregado ou vazio, a partir da sua velocidade de deslocação e da distância a ser percorrida. Esta abordagem é muito interessante, pois apresenta uma grande representatividade de cada movimento e permite um controlo muito grande sobre a velocidade dos equipamentos, que poderá variar com o tipo de Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 132 equipamento, e com a distância a ser percorrida, porém, apesar das suas vantagens, não se apresenta como uma abordagem muito eficaz para a temporização dos movimentos do ciclo elementar de carga, como será observado seguidamente, sendo escolhida uma abordagem empírica, mais simples, mas também ela representativa. Para a determinação da duração dos movimentos de viagem carregado e viagem vazio, a abordagem empírica é sustentada em dados recolhidos em projectos anteriores. Tal sucede devido as pequenas distâncias percorridas pelos equipamentos de carga, comparativamente com os equipamentos de transporte. Estas distâncias reduzidas, muitas vezes difíceis de contabilizar, devido ao grande número de manobras, tornam difícil uma abordagem através da utilização dos valores de velocidade de deslocação do equipamento, neste caso com o balde cheio, sendo então, preferível basear o tempo desta actividade em dados recolhidos de projectos anteriores, ocorrendo apenas a diferenciação dos tempos para o tipo de equipamento de carga. Como ocorre para os movimentos anteriores, para a carga e descarga, devido a serem movimentos relativamente curtos temporalmente e a ser muito complexa a sua analise matemática, pois não existem distancias percorridas nem velocidades de deslocação, como nos movimentos de viagem, é também utilizada uma abordagem empírica. Pelo observado, caso se deseja obter informações sobre o ciclo elementar de carga, para os seus movimentos, deverão existir dados temporais sobre cada um dos movimentos, que deverão ter sido recolhidos em projectos anteriores para equipamentos similares ao que se deseja utilizar no projecto. Conhecido o Ciclo Elementar de Carga, e os seus movimentos constituintes, torna-se essencial o estudo sobre as principais variáveis influenciadoras do tempo de duração de cada um dos movimentos e do ciclo elementar no seu todo. Ao nível dessas principais variáveis influenciadoras o volume a ser removido por ciclo de trabalho, a capacidade volúmica do balde do equipamento e o tipo de equipamento são aqueles em que se possui mais poder de escolha e controle.  Volume a ser removido: A actividade de carga do material desmontado só está completa quando se dá a remoção total de todo esse material, logo, o volume de material desmontado por cada pega de fogo é um grande influenciador do tempo total da actividade de operação, influenciando directamente o número de ciclos elementares necessários que cada equipamento de carreamento terá de realizar. Quanto maior for a secção do túnel e o avanço provocado pelo desmonte, maior será o volume de material rochoso que terá de ser removido, portanto é de se esperar um maior número de ciclos elementares necessários, levando a um maior tempo de carga.  Tipo de equipamento utilizado: Quando definidos o tipo de equipamento que será utilizado na carga do material desmontado, não são realizadas alterações na sequência de movimentos do ciclo elementar, mas sim nos tempos despendidos em cada um dos movimentos. Diferentes equipamentos, como a pá carregadora ou LHD’s, realizam os Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 133 movimentos a diferentes velocidades, devidas às características intrínsecas de cada equipamento. Por exemplo o grupo de movimentos dentro do movimento de carga é diferente para os dois equipamentos, levando por isso a tempo diferentes. Tal sucede com as suas velocidades de deslocação, estando com os baldes vazios ou carregados, influenciando os tempos de viagem vazio e carregado, respectivamente. Tendo-se conhecimento desta variação de tempos, entre equipamentos, torna-se importante a aquisição de dados temporais para vários equipamentos, com o objectivo de melhor representar, no tempo de vida total do ciclo de trabalho e do projecto, a influência da escolha de diferentes equipamentos de carga. Os equipamentos utilizados num projecto, como a escavação de um túnel, poderão apresentar elevados investimentos, não viabilizando que as trocas entre tipos de equipamentos, como passar de pás-carregadoras para LHD’s, seja realizada com frequência dentro de um projecto. Para que durante um projecta não sejam necessárias alterações no tipo de equipamentos de carga, devido a problemas de eficiência, segurança ou de espaço, a escolha do tipo de equipamento a ser utilizado é efectuado com grande ponderação, antes da iniciação de cada actividade, para evitar problemas futuros.  Capacidade volúmica do balde do equipamento: Para além dos diferentes equipamentos de carga que podem ser utilizados, estes são comercializados em vários modelos, onde a principal diferença entre eles é a capacidade volúmica do seu balde. Como visto anteriormente, o número de ciclos elementares que um equipamento de carga terá de realizar para encher completamente a caixa do equipamento de transporte é inversamente proporcional ao volume do seu balde, logo, quanto maior for o balde do equipamento, menor será o número de ciclos elementares necessários, e com isso menor será o tempo de remoção do material desmontado. Observando a expressão anterior, que calcula o número de ciclos elementares necessários, é visível que o volume da caixa do equipamento de transporte é uma variável importante, sendo está debatida mais á frente. De referir, que para um mesmo modelo do equipamento poderão existir vários baldes adequados para o seu funcionamento, e que a troca de baldes pode ocorrer quando desejado, sendo o investimento no novo balde significativamente inferior quando comparado com a troca do equipamento. Este aspecto é importante, caso a escolha do balde ou até mesmo do equipamento de carga tenha sido não tenha sido a melhor para o projecto, pois poderá ser uma alternativa interessante, durante a vida do projecto, para melhor a eficiência da operação. Duração da Actividade de Carga 6.2.1.3 Conhecido então o tempo necessário para se completar o ciclo elementar de um equipamento de carga, bem como as suas principais características e factores influenciadores, é possível conhecer o tempo total necessário para realizar esta actividade, levando em conta o número Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 134 de ciclos elementares que terão de ser realizados para remover todo o material desmontado e o número de equipamentos afectos à actividade, utilizando a Equação 34. (Eq. 34) = Tempo despendido na Actividade de Carga = Número de equipamentos de carga O tempo calculado anteriormente, para a actividade de Carga, é esperado como constante ao longo de toda a vida do projecto, pois não é expectável que os grandes factores influenciadores deste tempo variem. Como já observado o ciclo elementar de carga e a sua duração, são influenciados principalmente pelo volume desmontado ser removido, pelo tipo de equipamento e pela capacidade volúmica do seu balde. Estes parâmetros influenciadores, como é de esperar serão também eles influenciadores do tempo total da actividade de carga, no entanto existirão ainda os seguintes influenciadores do tempo da actividade:  Número de Equipamentos: Como observamos na expressão anterior, o número de equipamentos de carga é um grande influenciador do tempo de remoção e, tal como os factores referidos, não é expectável que a sua variação ocorra ao longo de um projecto. Como sabido, a escolha do número de equipamentos de carga para trabalhar na frente de um túnel é influenciada pelas dimensões do túnel e relação com as dimensões dos equipamentos. Os equipamentos de carga, numa frente, devem poder realizar os seus movimentos de forma livre e segura, sendo que neste caso a utilização de apenas um equipamento seria a escolha mais vantajosa, contudo a opção por apenas um equipamento seria extremamente ineficiente e demorada, quando se é possível utilizar um maior número de equipamentos. Contudo é-se impossível escolher um infinito número de equipamento de carga, diminuindo drasticamente os tempos da actividade, devido as limitações de espaço de um túnel. Cada equipamento de carga irá ocupar determinado espaço da frente de um túnel, removendo espaço aos outros equipamentos, chegando-se a uma situação em que um determinado número de equipamentos iria impossibilitar o movimento da frente. Um estudo prévio da área disponível para o movimento dos equipamentos e das dimensões destes levará a escolha do número de equipamentos que produza uma maior eficiência com uma maior segurança, sendo que esta escolha é raramente alterado ao longo do projecto, visto a secção do túnel, principalmente a sua largura, não variar.  Número de ciclos elementares: O número de ciclos elementares que terão de ser realizados para remover todo o material é um factor muito importante para a duração temporal da actividade, sendo que como já referido, este parâmetro é influenciado pelo volume a ser removido e pelo volume do balde do equipamento. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 135 Como percebido pelo estudo dos principais parâmetros influenciadores do tempo da actividade, todos são passiveis de serem alterados, de forma a oferecer tempos da actividade interessantes, conforme o projecto. Apesar de existirem restrições nessas alterações, por exemplo, a capacidade volúmica do balde do equipamento é apenas alterado conforme as possibilidades oferecidas pelo fornecedor, a variação é ainda bastante relevante. Contudo, como esta actividade é extremamente independente dos equipamentos de carga, estes que incorporam a maioria dos parâmetros influenciadores (tipo, número, capacidade do balde) e que exigem um investimento monetário bastante significativo, é essencial um intensivo estudo previamente ao inicio da escavação do túnel, de forma a serem escolhidos, rigorosamente, os equipamentos a serem utilizados e as suas características. Tal ocorre para serem evitadas alterações ao longo da vida projecto, que obrigariam a investimentos avultados e desnecessários caso o estudo e a escolha tivessem sido feios correctamente. Contudo pequenas variações do tempo da actividade podem ocorrer na realidade, que são impossíveis de ser estimados, pois não estão relacionados com as variáveis estudadas. Os tempos de cada movimento do ciclo elementar, descritos anteriormente, são baseados em observações empíricas, sendo efectuado a média para cada tipo de equipamentos, contudo em muitos dos casos Como observado, para um projecto de escavação de um túnel, poderão ser utilizados diferentes equipamentos de carga, que são comercializados em diferentes dimensões e capacidades, como tal a escolha do equipamento de carga a ser comprado, devido ao investimento a ser realizado, deverá ser cuidada, seguindo os seguintes critérios:  Volume de material a ser removido  Tempo de carga em função do tempo total do ciclo de trabalho  Dimensões do túnel, que influenciaram as dimensões do equipamento  Área para manobra ou nichos disponíveis  Capacidade volúmica dos baldes Os critérios atrás apresentados são um grande apoio para a escolha dos equipamentos de carga e as suas características, contudo a escolha deverá ser realizada levando em conta uma componente experiencial, baseada em trabalhos anteriores, que permitem uma boa comparação com o projecto em causa. Para este trabalho a inclusão da informação sobre os diferentes equipamentos, possibilitando ao utilizador do utilitário informático, escolher entre o equipamento desejado para o seu projecto seria extremamente benéfico, contudo para que tal fosse possível era necessária a informação sobre a duração dos ciclos elementares de cada equipamento de transporte, pois como cada um destes, apresenta diferentes características, os tempos dos ciclos elementares nunca poderiam ser similares. A recolha desta informação seria facilmente adquirida, contudo na actualidade, a ausência de projectos de escavação de túneis é uma realidade, não possibilitando a recolha de dados essências. Desta forma, no software, apenas será disponibilizado como equipamento de carga a pá carregadora. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 142 Para a estimação dos tempos de viagem, realizada com a caixa cheia ou vazia de material rochosos desmontado, por parte das unidades de transporte, é necessária, para além do conhecimento da velocidade de deslocação dos equipamentos, a estimação das distâncias percorridas. Contrariamente ao que ocorre na actividade de Carga, em que a distância percorrida pelas unidades de carga é significativamente igual em todo o projecto, visto que o equipamento de transporte poderá, salvo raras excepções, se situar à mesma distância do equipamento de carga, em todos os ciclos de trabalho do projecto, a distância percorrida pelos equipamentos de transporte aumenta de ciclo de trabalho para ciclo de trabalho ao longo de todo o projecto, isto é, quanto mais a construção do túnel avançar, mais metros terão de ser percorridos pelos camiões de transporte, visto que a frente livre de desmonte se afastará sucessivamente da boca do túnel, bem como da escombreira. Com este constante crescimento da distância a percorrer pelas unidades de transporte, correspondente ao somatório sequencial de novos metros de novo túnel, equivalentes ao avanço provocado pelo desmonte de uma pega de fogo, o tempo do ciclo elementar destes aumentara sucessivamente, devido ao crescimento das parcelas referentes ao Tempo de Viagem Vazio e ao Tempo de Viagem Carregado. É então fundamental encontrar-se uma via de contabilizar este constante crescimento da distância percorrida e consequentemente dos tempos de viagem. Reflectindo-se sobre as diferentes distâncias percorridas pelos camiões, pode-se concluir que a mínima distância percorrida por estes será a distância entre a escombreira e a boca do túnel, correspondente ao primeiro ciclo de trabalho de todo o projecto, enquanto a máxima distância percorrida será o somatório entre a distância entre a boca do túnel e a escombreira e o comprimento total do túnel, verificado após a conclusão deste. Logramos então compreender que o percurso realizado entre a escombreira e a boca do túnel constituirá sempre parte dos percursos realizados pelas unidades de transporte, independentemente do estado de avanço do projecto. Com este pensamento em mente, torna-se possível realizar a divisão de todas as viagens percorridas, com o propósito de facilitar o estudo deste problema, nos dois seguintes troços:  Escombreira – Boca do Túnel Este troço corresponde à distância percorrida entre a escombreira e a boca do túnel. Como visto previamente, esta é a menor distância percorrida pela unidade de transporte durante a actividade de transporte, sendo realizada obrigatoriamente pelos camiões no desenrolar da actividade de transporte, independentemente do fase de construção do túnel. Por outras palavras, este troço do percurso será percorrido pelos camiões em todas as suas viagens, com caixa vazia ou carregada, em todas as actividades de transporte de qualquer um dos ciclos de trabalho, constituintes do projecto. Seguindo o raciocínio anterior, como durante toda a vida do projecto a distância entre as duas estruturas, escombreira e boca do túnel, não é alterada, é-se possível assumir esta como constante durante todo o projecto, para qualquer um dos ciclos de trabalho do túnel. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 143 (Eq. 39) = Distância percorrida entre a escombreira e a boca do túnel  Boca do Túnel – Frente de Desmonte Diferentemente ao outro troço do percurso, este não poderá ser considerado constante, pois será este que representará o crescimento sucessivo da distância percorrida pelas unidades de transporte, em conformidade com o sucessivo avanço do projecto, até ao seu término. Como referido o túnel é escavado pelo sucessivo desenrolar de ciclos de trabalho, que tem como principal função abrir pequenas parcelas do comprimento total do túnel. É desejado que em cada ciclo um novo comprimento do túnel seja aberto, correspondendo ao avanço provocado pelo desmonte de uma pega de fogo, que está directamente ligado ao comprimento da pega de fogo. De uma forma mais simples, de um ciclo de trabalho para o ciclo de trabalho seguinte o comprimento deste troço do percurso aumentará o comprimento correspondente ao avanço originado pelo desmonte da pega de fogo, representado pelo avanço previsto. Matematicamente, a criação da expressão que represente este troço apresenta-se mais complexa, visto depender do avanço do projecto. Inicialmente torna-se importante criar um mecanismo que represente esse avanço do projecto, para tal, devermos primeiramente obter conhecimento sobre o número total de ciclos de trabalho que terão de ser realizados, podendo este ser determinado pela Equação 40. (Eq. 40) = Número de Ciclos de trabalho necessários para realizar a total escavação do túnel = Comprimento total desejado para o túnel a ser aberto = Avanço previsto, provocado pelo desmonte de uma pega de fogo Conhecendo-se então o número de ciclos de trabalho previsto para terminar o projecto, relacionamos um valor de índice do seguinte modo: . De forma geral obtemos a seguinte relação entre o nosso índice e o número de ciclos de trabalho: Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 144 Tabela 24 – Relação entre o número de ciclos de trabalho de um projecto e o índice A criação deste índice, representativo do avanço do projecto torna-se fundamental para o cálculo da distância a percorrer, pelas unidades de transporte, no troço entre a boca do túnel e a frente de desmonte. No caso do outro troço do percurso, entre a escombreira e a boca do túnel, este índice não é necessário, devido à sua característica constante ao longo de todo o projecto. Outra vantagem do índice de trabalho ocorre para o primeiro ciclo de trabalho. Quando se da o primeiro ciclo de trabalho, correspondente ao primeiro desmonte da pega de fogo, ainda não se deu nenhum avanço do túnel, pois os trabalhos ocorrem na boca do túnel, logo, sendo o índice correspondente a este ciclo de trabalho o valor nulo (zero), torna-se mais simples para os estudos que se seguem. Sendo então o índice representativo do avanço do projecto, é necessário encontrar outra dado que nos forneça a informação sobre o comprimento que será acrescido ao percurso, de ciclo de trabalho para ciclo de trabalho. Neste caso como referido, o incremento sucessivo de comprimento do túnel será representado pelo avanço previsto, provocado pelo desmonte de cada pega de fogo. Com estes dois dados podemos então criar a Equação 41, que traduza a distância entre a boca do túnel e a frente de desmonte, para um determinado ciclo de trabalho. (Eq. 41) = Índice representativo da evolução de um projecto de escavação de túnel = Número de ciclos de trabalho necessários para completar um projecto de escavação de túnel = Avanço provocado pelo desmonte de uma pega de fogo, em metros) = Distância do percurso Boca do túnel – Frente de desmonte, em função do progresso do projecto, em metros Percebendo-se que a distância total, entre a escombreira e a frente de desmonte, é o somatório da distância entre a escombreira e a boca do túnel e a distância entre a boca do túnel e a frente de desmonte, podemos obter a Equação 42, que nos possibilita conhecer, para Valor Índice Ciclo de Trabalho (CT) 0 1 1 2 ⁞ ⁞ CT-1 CT Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 145 qual quer ciclo de trabalho dentro do projecto, a distância que será percorrida pelos equipamentos de transporte, entre a escombreira e a frente de desmonte: (Eq. 42) = Distância a percorrer pelas unidades de transporte, entre a escombreira e a frente de desmonte, para um determinado ciclo de trabalho dentro do projecto Observando a expressão anterior, corroborando o referido previamente, caso se pretenda conhecer a distância a percorrer pelos equipamentos de transporte no início do projecto, isto é, no primeiro ciclo de trabalho, poderemos observar: Conhecidas as distâncias percorridas pelos equipamentos de transporte, é possível estimar o tempo gasto nos movimentos Viagem Vazio e Viagem Carregado, de um ciclo elementar, para um determinado ciclo de trabalho do projecto. Para podermos então estimar o Tempo de Viagem Vazio (Eq. 43) e Carregado (Eq. 44), para além das distâncias percorridas são necessárias as informações sobre as velocidades dos equipamentos, nas duas condições, que como referido são geralmente facultadas pelo fornecedor e/ou comerciante dos equipamentos.  Tempo de Viagem Vazio: (Eq. 43) = Tempo de viagem vazio do equipamento de transporte, para um determinado ciclo de trabalho = Velocidade da unidade de transporte, quando possui a caixa vazia Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 146  Tempo de Viagem Carregado: (Eq. 44) = Tempo de viagem carregado do equipamento de transporte, para um determinado ciclo de trabalho = Velocidade da unidade de transporte, quando possui a caixa carregada Duração da Actividade de Transporte 6.2.1.4 No poder das expressões anteriores, que constituem parte de todo o ciclo elementar de uma unidade de transporte, obtemos a Equação 45, sempre em função do ciclo de trabalho do projecto. (Eq. 45) = Tempo de duração do ciclo elementar de transporte, para um determinado ciclo de trabalho do projecto. Para um mesmo ciclo de trabalho, utilizando a Equação 46 é-se possível estimar o tempo total de transporte. (Eq. 46) = Tempo total despendido na actividade de transporte, para um determinado ciclo de trabalho, pertencente ao projecto Examinado a expressão prévia, podemos compreender que entre cada ciclo de trabalho, o factor diferenciador dos diferentes tempos de carga serão os tempos de Viagem Vazio e Carregado, visto que os tempos de carga e descarga, do equipamento, dentro de cada ciclo elementar não varia, bem como o número de ciclos elementares de transporte necessários para remover o material da frente de desmonte, pois este volume será, de ciclo para ciclo aproximadamente semelhante. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 147 Devido a esta crescente diferença entre os tempos de transporte de ciclo para ciclo, muitas das vezes é preferível olhar para a média do tempo de transporte de todo o projecto ou por outro lado observar o tempo total despendido no transporte no projecto. Tornando o processo mais simplificado, devera-se começar por determinar o tempo total despendido durante o projecto, nas viagens dos equipamentos vazios (Eq. 47) e carregados (Eq. 48).  Tempo de Viagem Vazio no Projecto: ∑ ∑ (Eq. 47) = Tempo despendido pelos equipamentos de transporte, no movimento “Viagem Vazio”, ao longo de todo o projecto  Tempo de Viagem Carregado no Projecto: ∑ ∑ (Eq. 48) = Tempo despendido pelos equipamentos de transporte, no movimento “Viagem Carregado”, ao longo de todo o projecto Conhecendo-se as expressões anteriores, podemos obter as Equação 49 e 50, representativas do Tempo Total despendido no transporte, durante todo o projecto. [ ] (Eq. 49) [ ] ∑ ∑ (Eq. 50) = Tempo total despendido na actividade de transporte, durante todo o projecto Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 148 Para obtermos então a média do tempo despendido, durante toda a vida do projecto, simplesmente temos de realizar a divisão do Tempo Total de Transporte pelo número total de ciclos de trabalho, como observado na Equação 51. (Eq. 51) = Tempo médio despendido na actividade de transporte, ao longo de todo o projecto O estudo do tempo de duração da actividade de transporte, em função da sua média ao longo de todo o projecto, torna-se bastante útil, pois permitirá uma análise muito simplificada e clara do tempo de duração da actividade, que não seria possível, caso não fosse utilizada esta metodologia. Caso não fosse realizada uma análise da média, os valores observados seriam muito variáveis e, geralmente, muito diferentes, principalmente para projecto com um grande número de ciclos de trabalho. É importante referir que esta análise da média do tempo da actividade não interferirá com a duração do projecto que será estimada, isto é, não induzirá em erro, logo como será visto futuramente, a análise para a duração desta actividade é realizada sempre em função da sua média. Conhecendo-se as várias formas para determinar os tempos despendidos na actividade de transporte, seja dentro de um ciclo de trabalho ou em todo o projecto, é importante analisar as principias variáveis influenciadoras do tempo desta actividade. Sendo elas:  Número de Equipamentos de Transporte: Como observado em outras actividades e operações, o número de unidades afectas à sua função terão uma influência inversamente proporcional no tempo da actividade de transporte.  Capacidade volúmica da caixa do equipamento: O volume da caixa do equipamento ditará a quantidade máxima de material que o equipamento poderá transportar, sendo que a razão entre esta capacidade volúmica e o volume total a desmontar influenciará o número de ciclos elementares necessários para remover todo o material desmontado. Sendo assim, para um mesmo volume de material desmontado, equipamentos com uma maior capacidade volúmica de caixa, necessitaram de realizar um menor número de ciclos elementares, levando teoricamente a um menor tempo de transporte, porém, deverá ser levada em conta velocidade de transporte dos equipamentos, pois equipamentos com uma capacidade de transporte terão velocidades, principalmente carregados, menores. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 149  Volume desmontado por pega de fogo: Relacionado com a capacidade volúmica da caixa do equipamento, o volume desmontado tem influência no número de ciclos elementares das unidades de transporte, sendo a relação directamente proporcional. Se comparados dois projectos similares, em que apenas o volume desmontado de pega de fogo variará, é de se esperar um menor tempo de transporte, principalmente por ciclo, no projecto com menor volume de material rochoso desmontado por cada de fogo.  Distância entre a Escombreira e a Boca do Túnel: Como observado nas expressões, em cada viagem realizada pelas unidades de transporte, esta distância será percorrida duas vezes no percurso de um ciclo elementar, como tal a sua influência no tempo de transporte será decisiva. Quanto mais afastada a Escombreira se situar da Boca do Túnel, maior será o percurso a ser realizado pelos camiões, ressalvando que esta distância é a mínima possível a ser percorrida, logo, para as mesmas velocidades de deslocação, quanto maior for a distancia da boca do túnel à escombreira, maior será o tempo afecto aos movimentos de Viagem Vazio e Viagem Carregado, e por seguinte maior será o tempo de transporte.  Tempo da actividade de Carga: Como observado, o tempo de Carregamento, dentro do ciclo elementar dos equipamentos de transporte, é igual ao tempo total que os equipamentos de carga demoram a encher a caixa de uma unidade de transporte, desta forma, o tempo da actividade de transporte será influenciado pelo tempo da actividade de Carga e das suas variáveis.  Comprimento final do túnel: O comprimento desejado do túnel, após terminada a sua construção, influência de forma directa e proporcional o tempo da actividade de transporte, principalmente quando contabilizado para todo o projecto. Quanto maior for o túnel, maior será a distância a percorrer pelos camiões no segundo troço do seu percurso elementar, portanto, para velocidades similares, quanto maior for este comprimento, maior será o tempo de Viagem, tanto carregado como vazio, do equipamento, aumentado o tempo da actividade de transporte.  Velocidades de deslocação dos equipamentos: Devido à abordagem matemática aplicada para a determinação dos tempos da actividade, em detrimento de uma abordagem empírica, baseada em informações e experiencia anteriores, as velocidades dos equipamentos, tal como as distâncias que este percorrera, são extremamente importantes para os tempos da actividade. Apesar de apenas ser assumidos, para este trabalho, camiões como os equipamentos utilizados, variações nas velocidades podem ocorrer. Um dos principais influenciadores da velocidade dos equipamentos é a sua dimensão, traduzida pela capacidade volúmica da caixa do equipamento. Apesar de ser sempre admitido o uso de camiões, estes podem ser comercializados por vários empresas e em vários modelos, apresentando várias diferenças eles, mesmo dentro da mesma Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 150 empresa. A capacidade da caixa de transporte é uma dessas principais diferenças. Caixas de transporte de capacidade volúmica superior estão associadas, logicamente, a equipamentos de dimensões e peso maiores, levando a velocidades de locomoção inferiores devido ao peso acrescido, relacionado com aumento da capacidade de transporte. Muitos fabricantes de equipamento, realizam alterações ao nível da mecânica, principalmente no motor, para os equipamentos de maiores dimensões e peso, de forma ao equipamento obter velocidades satisfatórias. Como observado nas expressões anteriores, as velocidades de locomoção são dividias, sendo importante efectuar a diferenciação entre a velocidade do equipamento carregado e a velocidade do equipamento vazio. Como é de supor a velocidade do equipamento carregado será substancialmente menor que a velocidade do equipamento vazio, devido ao acréscimo de peso, originado pelo transporte do material rochoso desmontado. Sendo que quanto maior for o volume de material transportado, relacionado com o volume da caixa de transporte, menor será a velocidade do equipamento carregado. As velocidades dos equipamentos, como referido anteriormente, são fornecidas pelos comerciais, sendo os dados apresentados fiáveis, contudo, é importante basear as velocidades dos equipamentos em dados empíricos e em experiencias previas com os equipamentos, pois poderá existir discrepância entre as velocidades teóricas e reais dos equipamentos, principalmente devido a degradação do camião, pelo uso e pelo tempo. A degradação do camião, pelo uso e pelo tempo, poderá também ocorrer durante o projecto, principalmente quando este tem uma grande extensão no tempo, como tal uma manutenção periódica e de qualidade do equipamento é essencial durante o projecto, não permitindo variações das velocidades de deslocação durante o projecto, que poderão levar a erros no tempo real da actividade de transporte, logo no tempo de vida do projecto, quando comparado com os valores estimados. Ainda quanto aos valores fornecidos pelos comerciais, estes são referentes, geralmente, a movimentações horizontais, em que os camiões não necessitam de realizar subidas nem descidas acentuadas. Como tal, caso o túnel que desejamos estudar, não seja horizontal, é importante possuir valores das velocidades nestas condições, principalmente porque as velocidades dependerão fortemente da inclinação do túnel, pois quanto maior está for, menor será a velocidade dos equipamentos. Nestes casos os comerciantes poderão possuir dados que poderão se rum bom apoio, porém dados adquiridos anteriormente dos equipamentos, serão extremamente relevantes. Utilitário de Apoio à Estimação de Parâmetros na Escavação de Túneis 151 Nichos: influência na Operação de Remoção do escombro 6.2.2 Pelo observado anteriormente, as actividades de Carga e Transporte ocorrem em simultâneo, até que o material desmontado seja removido e transportado, na sua totalidade, para a escombreira. Esta metodologia de carga, caracterizada pela organização estudada das duas actividades, poderá ser considerada, em certos casos, prejudicial na duração de todo o ciclo de trabalho, e do projecto no seu todo, visto que as operações precedentes, como a Marcação da pega de fogo, chegada do Jumbo de perfuração, que exigem um contacto directo com a frente de desmonte, apenas podem ser iniciadas quando a remoção de todo o material desmontado ocorra. Como observado previamente, quando a construção do túnel ainda não está numa fase muito avançada, isto é, a frente de desmonte não se encontra muito afastada da boca do túnel, a operação de Remoção do material, influenciada fundamentalmente pela actividade de transporte, não apresenta uma duração muito grande. Todavia à medida que a frente de desmonte se afasta da boca do túnel, a duração da actividade de transporte vai aumentado, devido às maiores distâncias a percorrer pelas unidades de transporte, o que obriga a maiores tempos de espera por parte das outras operações. Com o conhecimento deste problema, ao longo dos anos foram apresentadas diferentes metodologias e estruturas que pudessem reduzir os tempos de espera, sucessivamente maiores, pela frente de desmonte disponível. Desta forma, com o objectivo de reduzir estes tempos de espera, e consequentemente o tempo total do projecto, foram introduzidos os nichos, ao longo de todo o comprimento do túnel. Os nichos são reentrâncias laterias, escavadas ao longo do túnel, que podem apresentar diversas funções, como:  Local de manobras para os equipamentos  Local de paragem de equipamentos  Local de emergência ou segurança  Local de cruzamentos das unidades de transporte  Local de armazenamento de instrumentos e materiais utilizados nos trabalhos de construção  Futura localização de estações de bombagem  Local de armazenamento provisório do material desmontado Como podemos observar, os nichos, como estruturas auxiliares vieram oferecer diferentes soluções para os trabalhos, contudo, para o problema em discussão, a sua última funcionalidade, de servir de local de armazenamento provisório do material desmontado, é sem dúvida aquela em que nos iremos debruçar. A utilização dos nichos, como locais de armazenamento provisório do material desmontado, tem como principal objectivo realizar uma remoção do material desmontado da frente, ou como muitas vezes referido limpeza da frente, de uma forma muito mais rápida, com o propósito de possibilitar que as operações posteriores possam iniciar os seus trabalhos mais rapidamente, sem que existam longos tempos de espera. De uma forma muito simples, a limpeza da frente é realizada apenas pelos equipamentos de carga que movimentam o