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08 de junho de 2015
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A Era das Máquinas

O advento das tuneladoras

Por Norwil Veloso

Na metade do século XIX, a civilização Ocidental ainda vivia a era das ferrovias. Na Europa, no entanto, os traçados frequentemente eram interrompidos por serras e cadeias de montanhas, como os Alpes, por exemplo.

Soluções como contornar ou passar sobre as serras eram caras e demoradas, o que fortaleceu a ideia de seguir “através” da formação geológica, executando o menor percurso possível. Em outras palavras, abrir túneis, na maior parte das vezes em rocha.

Até essa época, para escavar a rocha eram feitos furos, depois carregados com explosivos e, por fim, detonados. Em seguida, retornava-se o mais rápido possível para escorar a frente antes que ela desabasse, executando em seguida a remoção do material escavado. De fato, este sistema era perigoso e ineficiente. Além disso, a frente de trabalho tornava-se extremamente poluída, o que exigia a remoção do ar durante certo tempo, até que se pudesse novamente entrar nas cavidades.

As dificuldades eram grandes. A frente de trabalho era fisicamente pequena, o que permitia a execução somente por pequenas equipes, com sérias limitações de produção. Além disso, o tempo gasto para remoção do material escavado, para troca de ferramentas e outras atividades de apoio à escavação tornavam esse serviço extremamente lento e custoso.

Para superar essa dificuldade, buscou-se inicialmente aumentar a capacidade dos equipamentos, simplesmente aumentando seu tamanho para poder escavar seções maiores. Nesse sentido, a primeira tentativa foi feita por um engenheiro belga, Henri-Joseph Maus, que possuía grande experiência em mineração e aceitou o desafio de escavar um túnel entre França e Itália, sob o Monte Frejus.

FATIADORA

Chamada de “Mountain Slicer” (fatiadora de montanhas), a máquina de Maus possuía mais de cem perfuratrizes de percussão, montadas numa complexa estrutura de engrenagens e trilhos. A solução foi produzida numa fábrica próxima a Turim e colocada em serviço em 1846.

Além de necessitar de alimentação ininterrupta de energia, produzida na parte externa do túnel, o fornecimento tornava-se cada vez maior devido à extensão das linhas, o que elevava significativamente as perdas. Além disso, problemas políticos ocorridos em 1848 (as revoluções de cunho liberal conhecidas com o “Primavera dos Povos”) interromperam o fluxo de fundos para o empreendimento, que só veio a ser concluído 10 an


Na metade do século XIX, a civilização Ocidental ainda vivia a era das ferrovias. Na Europa, no entanto, os traçados frequentemente eram interrompidos por serras e cadeias de montanhas, como os Alpes, por exemplo.

Soluções como contornar ou passar sobre as serras eram caras e demoradas, o que fortaleceu a ideia de seguir “através” da formação geológica, executando o menor percurso possível. Em outras palavras, abrir túneis, na maior parte das vezes em rocha.

Até essa época, para escavar a rocha eram feitos furos, depois carregados com explosivos e, por fim, detonados. Em seguida, retornava-se o mais rápido possível para escorar a frente antes que ela desabasse, executando em seguida a remoção do material escavado. De fato, este sistema era perigoso e ineficiente. Além disso, a frente de trabalho tornava-se extremamente poluída, o que exigia a remoção do ar durante certo tempo, até que se pudesse novamente entrar nas cavidades.

As dificuldades eram grandes. A frente de trabalho era fisicamente pequena, o que permitia a execução somente por pequenas equipes, com sérias limitações de produção. Além disso, o tempo gasto para remoção do material escavado, para troca de ferramentas e outras atividades de apoio à escavação tornavam esse serviço extremamente lento e custoso.

Para superar essa dificuldade, buscou-se inicialmente aumentar a capacidade dos equipamentos, simplesmente aumentando seu tamanho para poder escavar seções maiores. Nesse sentido, a primeira tentativa foi feita por um engenheiro belga, Henri-Joseph Maus, que possuía grande experiência em mineração e aceitou o desafio de escavar um túnel entre França e Itália, sob o Monte Frejus.

FATIADORA

Chamada de “Mountain Slicer” (fatiadora de montanhas), a máquina de Maus possuía mais de cem perfuratrizes de percussão, montadas numa complexa estrutura de engrenagens e trilhos. A solução foi produzida numa fábrica próxima a Turim e colocada em serviço em 1846.

Além de necessitar de alimentação ininterrupta de energia, produzida na parte externa do túnel, o fornecimento tornava-se cada vez maior devido à extensão das linhas, o que elevava significativamente as perdas. Além disso, problemas políticos ocorridos em 1848 (as revoluções de cunho liberal conhecidas com o “Primavera dos Povos”) interromperam o fluxo de fundos para o empreendimento, que só veio a ser concluído 10 anos depois, pelo método convencional. Assim, a máquina de Maus nunca foi testada em todo seu potencial.

Com pequenas variações, essa história repetiu-se em vários lugares, deixando um rastro de frustração na maior parte das vezes. Em 1851, Richard Mumm & Co., de Boston, produziu uma máquina para auxiliar na perfuração do túnel através do Monte Hoosac, no nordeste de Massachussets, que ficou presa após um avanço de 3 m. Em 1856, Hermann Haupt, um dos mais famosos engenheiros do país, tentou voltar ao projeto com outra máquina, que não chegou a avançar um metro e levou Haupt à falência.

As tentativas subsequentes seguiam na linha de aumento das perfuratrizes. Mas para perfurar a seção completa, era necessária uma potência absurdamente alta. Além disso, os esforços tenderiam a criar deformações, quebras e outros problemas estruturais. Com isso, por volta de 1930 – após uma enxurrada de patentes inúteis – os engenheiros finalmente desistiram do desafio.

CORTES CIRCULARES

Contudo, um jovem engenheiro americano, James S. Robbins, após trabalhar em mineração durante 15 anos, estabeleceu-se como consultor de mineração em Illinois. Em 1952, foi procurado por F. K. Mittry, que precisava de uma máquina para executar a escavação de um túnel para desvio de água próximo a Pierre, em South Dakota. Robbins decidiu utilizar uma tecnologia recém-desenvolvida para a mineração de carvão. A ideia era empurrar um conjunto de pontas, como os dentes de um garfo, na face do carvão e, em seguida, girar o conjunto, executando cortes circulares profundos. Rodas de quebra ficavam entre as pontas, para remover o material da face. O conjunto de pontas girava uma vez, se recolhia, o carvão era removido e o processo se reiniciava.

Baseada nesse princípio, a máquina de Robbins foi chamada de “Mitry’s Mole”. Pesando 125 ton, a máquina tinha comprimento de 27 m e diâmetro de 7,80 m, sendo a primeira a obter sucesso ao escavar 48 m em 24 horas, ou seja, 10 vezes a produção atingida com os métodos de perfuração utilizados na época. Os problemas, contudo, começaram a aparecer na perfuração de outros materiais mais macios.

Nessa época, Robbins iniciou uma empresa dedicada ao desenvolvimento e fabricação de máquinas desse tipo (que ficaram conhecidas por TBM – Tunnel Boring Machines). Uma de suas primeiras máquinas foi usada em 1956 em Toronto, onde as pontas se quebravam com muita frequência, causando paradas para manutenção. Robbins decidiu então trocar as pontas por discos cortadores, o que melhorou significativamente o desempenho da máquina. Essa nova máquina também estava equipada com um “engenhoso sistema de caçambas”, que recolhia o material escavado e o descarregava sobre uma correia transportadora, levando-o para trás da máquina, de onde era transportado.

Apesar do sucesso, a maioria dos empreiteiros continuava a trabalhar pelo processo convencional, uma vez que uma TBM era muito cara (acima de um milhão de dólares) e suas paradas para manutenção geravam grandes prejuízos.

Em 1958, com a morte de James Robbins em um acidente aéreo, a empresa passou a ser dirigida por seu filho Richard. Os clientes não confiavam tanto em sua experiência, vendo-o como um desconhecido formado há poucos anos. A empresa teve uma fase difícil até o final da década de 60, quando a prefeitura de Chicago decidiu construir uma enorme rede de túneis, com mais de 1500 m de comprimento, para solucionar o problema do extravasamento de esgotos in natura para o Lago Michigan, frequente na época de chuvas. De acordo com o edital da concorrência, “não será aceita nenhuma empresa que não utilize uma máquina TBM”.

EVOLUÇÃO

Isso abriu novos horizontes para a tecnologia. Empresas de todo o mundo, como Hughes Tool, Krupp e Ingersoll Rand desenvolveram aperfeiçoamentos que elevaram a produtividade a valores da ordem de 180 m/mês no final da década de 60 e a 1.200 m/mês em 2004.

Em 1972, numa escavação em solo difícil, o cliente necessitava de proteção para a equipe no solo frágil, mantendo um bom avanço, o que levou à criação das TBM de blindagem dupla. Na sequência, surgiram diversas outras empresas, como Akkerman, Herrenknecht, Kawasaki, Lovat e outras.

A Hitachi Zosen, por exemplo, produziu mais de 1.200 tuneladoras desde 1967, desenvolvendo diversas tecnologias específicas, que foram utilizadas para criar diversos produtos inovadores, como a primeira máquina de face dupla (com dois cortadores, usada na linha JR Kelio), a primeira máquina de face tripla (com três cortadores, usada no metrô de Osaka), a primeira máquina para escavação de seção retangular e máquinas de grande diâmetro, usadas em outras obras de maior porte.

As máquinas atuais são verdadeiras “plantas móveis”, que escavam, executam ancoragens ou aplicam revestimentos pré-moldados, removem material escavado e já finalizam a seção ao simples passar da máquina. Os projetos atuais são customizados para cada obra, levando em conta a geologia do local e as especificações.

No Brasil, a Linha 1-Azul do Metrô – a primeira de São Paulo e que foi feita em grande parte por escavação a céu aberto – utilizou quatro tuneladoras de frente aberta para realizar o serviço no trecho da área central da cidade. Por conta da elevada pressão hidrostática em alguns trechos de solo arenoso, a operação exigiu o uso de ar comprimido para pressurizar a face da escavação.

Leia na próxima edição: Um marco no setor de caminhões