universidade federal rural do rio de janeiro instituto de

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE AGRONOMIA
DEPARTAMENTO DE GEOCIÊNCIAS
CURSO DE GEOLOGIA
ESTUDO E CARACTERIZAÇÃO PARA A IMPLANTAÇÃO DE TÚNEL EM MACIÇO
ROCHOSO COM ESTUDO DE CASO NA ILHA DA MADEIRA – MUNICÍPIO DE
ITAGUAÍ - RJ
Aluno
Daniel de Resende Henriques
Professor Orientador: Prof. Dr. Euzébio José Gil
Julho de 2011
Seropédica/RJ
(Banca examinadora)
________________________________________
Prof. Rubem Porto Junior
________________________________________
Prof. Lúcio Carramillo Caetano
________________________________________
Geól. Leonardo Carvalho da Silva
Trabalho de Conclusão de Curso de
Geologia para obtenção do título de
Bacharel
em
Geologia
da
Universidade Federal Rural do Rio de
Janeiro.
II
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer, em primeiro lugar, a Deus por me guiar e iluminar nessa
caminhada.
A minha família, meus pais e irmã, por me ajudarem, incentivarem e me apoiarem
durante todo meu curso e minha vida. Sem eles eu não chegaria aonde cheguei.
Obrigado por tudo!
A uma pessoa muito especial que me acompanhou durante essa jornada, torcendo por
mim e estando ao meu lado nas horas boas e ruins. Obrigado Renata!
Aos meus amigos, que mesmo às vésperas de provas e durante as farras estiveram
sempre juntos, se divertindo ou se desesperando. Em especial Murilo Vicente, que
durante cinco anos de convivência se mostrou um grande amigo. Ao vizinho e amigo
Iuri. As duas grandes amigas que me deram força quando mais precisei: Patrícia e
Luciana. E uma galera muito importante a “Turma do Escritório”: Restine, Lyra e Kiffer,
companheiros para qualquer momento. Em especial a Rodrigo Restine, pelo grande
auxílio nessa reta final, valeu meu amigo! Muito obrigado meus amigos!!!
Aos Professores Rubem e Lúcio, que apesar de pouca convivência sempre foram e
serão uma referência para minha vida. Obrigado professores!
Em especial ao Professor e amigo Euzébio José Gil por me auxiliar nesse momento
importante de minha vida universitária, ajudando, cobrando e ensinando não só para a
confecção deste trabalho mais sim para uma nova etapa da minha vida que irá
começar. Muitíssimo obrigado Professor!
III
“O amanhã não me dá medo, porque vi ontem e me encanta o hoje.”
William Allen White
IV
CAPITULO 1 - INTRODUÇÃO ...................................................................................... 4
1.1
Considerações Iniciais ...................................................................................... 4
1.2
Objetivos ........................................................................................................... 4
1.3
Localização e Acesso........................................................................................ 5
1.4
Materiais e Métodos .......................................................................................... 6
CAPÍTULO 2 - CONTEXTO REGIONAL ....................................................................... 7
2.1
Geologia regional .............................................................................................. 7
2.2
Geomorfologia da área de estudo ..................................................................... 9
2.3
Clima ............................................................................................................... 10
CAPÍTULO 3 – GEOLOGIA LOCAL............................................................................ 11
CAPÍTULO 4 - FASES DE ESTUDO PARA A CONSTRUÇÃO DE TÚNEIS ............... 13
4.1 Estudos Preliminares ............................................................................................ 13
4.2 Projeto Básico....................................................................................................... 13
CAPÍTULO 5 - MÉTODOS DE PROSPECÇÃO .......................................................... 14
5.1 Prospecção de Campo ......................................................................................... 14
5.1.1 Método sísmico .................................................................................................. 14
5.1.2 Método elétrico .................................................................................................. 14
5.1.3 Método eletromagnético..................................................................................... 14
5.1.4 Prospecção mecânica ........................................................................................ 15
5.2 Ensaios in situ....................................................................................................... 15
5.3 Túnel Piloto ........................................................................................................... 19
CAPÍTULO 6 - ESCAVAÇÃO EM MACIÇOS ROCHOSOS ........................................ 20
6.1 Critérios de escavabilidade ................................................................................... 20
CAPÍTULO 7 – SUPORTE DE MACIÇOS ROCHOSOS ............................................. 22
7.1 – Métodos de suporte primário ............................................................................. 23
7.1.1 – Considerações sobre os tipos de suportes primários ...................................... 23
7.2 – Métodos de suporte secundário ......................................................................... 25
CAPÍTULO 8 – CLASSIFICAÇÃO DE MACIÇOS ROCHOSOS .................................. 26
8.1 – Método de classificação de Bieniawski .............................................................. 26
8.2 – Método de classificação de Barton .................................................................... 30
CAPÍTULO 9 – ESTUDO DE CASO ........................................................................... 36
9.1 - Geologia da área de influência do Túnel............................................................. 37
9.2 - Perfil ................................................................................................................... 42
9.3 – Mapa de drenagem ............................................................................................ 43
CAPÍTULO 10 - CONCLUSÃO ................................................................................... 44
CAPÍTULO 11 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................. 45
CAPÍTULO 12 - ANEXOS ........................................................................................... 47
1
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Microrregião de Itaguaí ................................................................................. 5
Figura 2 - Acesso à área de estudo, partindo do município de Seropédica. .................. 6
Figura 3 - Mapa geológico da Região de estudo. Fonte: CPRM ................................... 8
Figura 4 - Ensaio de deformabilidade em maciços rochosos. Exemplo de dispositivo
para ensaio de placa com carga aplicada nas paredes de galeria. ............................. 16
Figura 5 - Ensaio de deformabilidade em maciços rochosos. Esquema para ensaio de
placa com carga aplicada na base e teto de galeria. .................................................. 17
Figura 6 - Túnel piloto na escavação de uma obra subterrânea (adaptado de
AFTES[1], 1996). ........................................................................................................ 19
Figura 7 - Cambotas e rede metálica no suporte de um túnel. .................................... 24
Figura 8 - Concreto projetado ..................................................................................... 25
Figura 9 - Orientação de túnel em relação aos planos de descontinuidades. .............. 27
Figura 10 - Classes de suporte definidas para o sistema Q (Grimstad e Barton, 1993).
................................................................................................................................... 35
Figura 11- Emboque do Túnel localizado no talude da praça da pedreira ................... 36
Figura 12 - Vista da parte superior do desemboque ................................................... 37
Figura 13 - Amostra de mão de rocha granitóide do batólito Serra dos Órgãos,
mostrando variação em cor, de cinza claro para verde garrafa. Pedreira Sepetiba. .... 38
Figura 14 - Rocha granitóide do Complexo Ilha da Madeira........................................ 39
Figura 15 - Características da fotomicrografia - Nicol: cruzado - Objetiva 2,5 x , 10x. . 41
Figura 16 - Diques de diabásio de direção NE-SW e espessura métrica a decimétrica,
cortando ortognaisses do Batólito Serra dos Órgãos. Pedreira Sepetiba, Ilha da
Madeira....................................................................................................................... 42
2
LISTA DE TABELAS
Tabela 1– Ensaios de rochas em laboratório e parâmetros resultantes. ..................... 17
Tabela 2 - Principais critérios de escavabilidade e parâmetros mecânicos associados.
................................................................................................................................... 20
Tabela 3 - Classificação geomecânica de Bieniawski (1989) - "Rock Mass Rating RMR". ......................................................................................................................... 28
Tabela 4 - Classificação da condição das descontinuidades - RMR (1989). ............... 29
Tabela 5 - Efeito da orientação das descontinuidades - RMR (1989). ......................... 29
Tabela 6 - Classes de maciços - RMR (1989). ............................................................ 30
Tabela 7 - RQD - Designação da qualidade da rocha (Q.1). ....................................... 31
Tabela 8 - J n - Índice das famílias de juntas (Q.2). .................................................... 32
Tabela 9 - J r - Índice de rugosidade das juntas (Q.3)................................................. 32
Tabela 10 - J a - Grau de alteração das descontinuidades (Q.4). ............................... 33
Tabela 11 - J w - Índice das condições hidrogeológicas (Q.5). ................................... 33
Tabela 12 - SRF - Fator de redução de tensões (Q.6). ............................................... 34
Tabela 13 - Índice de segurança ESR para diferentes obras subterrâneas (Q).......... 34
3
CAPITULO 1 - INTRODUÇÃO
1.1
Considerações Iniciais
Escavações subterrâneas constituem atividades de engenharia exercidas pelo
homem, e atualmente vem sendo explorados em seu máximo, seja na mineração, vias
de comunicação, depósitos de resíduos, condução hidráulica, no saneamento básico,
transporte de gás ou principalmente no transporte, ferroviário e automotivo, entre
outros exemplos. Isso devido à crescente necessidade de planejamento e gestão de
espaço em áreas urbanas e zonas montanhosas. Contrapondo estes benefícios
constituem obras de alto custo, pois tratam-se de estruturas complexas executadas
por profissionais e empresas especializadas.
A construção de túneis tem como influência a Engenharia de Minas, que tem
ampla experiência e conhecimento em ambientes subterrâneos. As técnicas utilizadas
pela Engenharia de Minas ainda vem sendo aplicadas nos dias atuais, aperfeiçoadas e
adaptadas para a concepção de túneis.
Para se executar obras dessa magnitude é necessário um amplo planejamento.
Geologia, Geotecnia e Economia são ciências que integram estudos preliminares, nos
projetos e na execução das obras.
O tema foi escolhido baseado na importância, atualmente, da implantação de
túneis no desenvolvimento e crescimento de uma determinada área, nesse caso o
município de Itaguaí. Tendo como estudo de caso um túnel neste município, na região
da Ilha da Madeira próximo ao Porto.
1.2
Objetivos
Este trabalho tem por objetivo caracterizar a geologia da Ilha da Madeira
onde está sendo feito escavação subterrânea de um túnel. Adicionalmente é feita uma
abordagem sobre critérios escavação e métodos de classificação do maciço rochoso.
E finamente é tratado um estudo de caso.
4
1.3
Localização e Acesso
A microrregião de Itaguaí (Figura 1) é composta por três municípios, Itaguaí,
Mangaratiba e Seropédica e está situada na mesorregião Metropolitana do Rio de
Janeiro.
A Ilha da Madeira, área de estudo, trata-se de um bairro do município de
Itaguaí que recebeu este nome pelo fato de se tratar de uma Ilha, que por estar muito
próxima ao continente, separada apenas pelo rio Cação foi anexada por aterro. Este
nome é uma homenagem à Ilha da Madeira de Portugal, pois seu primeiro colono era
madeirense.
FIGURA 1 - MICRORREGIÃO DE ITAGUAÍ
O acesso à área de estudo, partindo do município de Seropédica, é feito
conforme o indicado na Figura 2. Partindo da Antiga Estrada Rio São Paulo,
acessando a RJ-099 (Reta de Piranema) e continuando pela Rodovia Rio-Santos por
mais ou menos 10 km. Pegue a saída 62 e na rotatória a 4ª saída para a Rua 19,
continue pela Rua 46 por 700 m. Siga pela Estrada Humberto Pedro Francisco por 900
m e pela Estrada de acesso a Fábrica Ingá por 1,6 km. Pegue a Rua Félix Lopes
Coelho e 400 m depois vire a direita na Estrada Joaquim Fernandes.
5
FIGURA 2 - ACESSO À ÁREA DE ESTUDO, PARTINDO DO MUNICÍPIO DE SEROPÉDICA.
1.4
Materiais e Métodos
Este trabalho foi confeccionado mediante duas etapas, parte teórica e parte
prática.
A parte teórica consistiu em um breve detalhamento da metodologia para a
confecção de túneis em maciços rochosos, trabalho este baseado na Tese de
Mestrado em Georrecursos – Área de Geotecnia, GEOTECNIA NA CONCEPÇÃO,
PROJECTO E EXECUÇÃO DE TÚNEIS EM MACIÇOS ROCHOSOS de Mário José
Nascimento Bastos, pela Universidade Técnica de Lisboa. Assim como um estudo da
geologia da área de construção do túnel, através de pesquisas bibliográficas, mapas e
trabalhos anteriores.
A parte prática se deu por confecção de mapas, como drenagem e geológico
consolidando o conhecimento da área através de um reconhecimento de campo.
6
CAPÍTULO 2 - CONTEXTO REGIONAL
2.1
Geologia regional
A área de estudo está inserida regionalmente na Baía de Sepetiba. Seu
embasamento é constituído, em sua maior parte, por rochas pré-cambrianas da
unidade Rio Negro, que se trata de uma associação de gnaisses-granitóides,
migmatitos e gnaisses. A sudoeste, a unidade Rio Negro encontra-se em contato com
os granitóides e migmatitos do batólito Serra das Araras, já a nordeste em contato com
rochas graníticas-granodioríticas do batólito Serra dos Órgãos (TUPINAMBÁ, 1999).
Bem a sudeste encontra-se o granitóide do maciço da Pedra Branca, enquanto
que no maciço costeiro da Ilha da Marambaia ocorre a suíte charnockitíca. Os maciços
de Marapicú-Mendanha e Tinguá, localizados a leste-nordeste, são rochas alcalinas
de idade Cretácico-Terciária, que intrudem as rochas pré-cambrianas da área. Estes
maciços estão associados a diversos diques basálticos e de rochas alcalinas
(MACHADO & PELLOGIA, 1987).
O substrato da Bacia de Sepetiba é composto por rochas pré-cambrianas da
Região de Dobramentos do Sudeste (HASUI, et al., 1984) que foram intensamente
retrabalhadas no Ciclo Brasiliano. A maioria das drenagens da região, inclusive o
curso superior e inferior do Rio Guandu, são controladas por lineamentos estruturais
que foram gerados durante o ciclo.
O último evento de características continentais, a Reativação Wealdeniana
(ALMEIDA, 1967), resultou na ruptura e expansão do assoalho oceânico e a
conseqüente migração das massas continentais, a 145 Ma no final do Mesozóico,
explicando a evolução geológica da região da Bacia de Sepetiba.
Os eventos tectônicos em blocos normais e justapostos, localizados nas
margens continentais em reativação, relacionadas à expansão do assoalho oceânico,
duraram até o final do Terciário. Foi nesta fase que as intrusões alcalinas, Maciços de
Tinguá e Maripicú-Mendanha, extravasaram as aberturas crustais reativadas
(ALMEIDA, 1983).
A subsidência resultante dos equilíbrios isostáticos, nas margens continentais
reativadas, gerou uma superfície de erosão e o consequente preenchimento das
bacias e depressões marginais por clásticos continentais.
No final do Terciário definiu-se a escarpa falhada da Serra do Mar e a
depressão tectônica da Baixada de Sepetiba (SILVA, 2001).
7
Com isso, a região do litoral fluminense encontra-se estruturada em um
sistema de rifts, onde se apresentam estruturas do tipo horst e grabens (FERRARI,
1990).
FIGURA 3 - MAPA GEOLÓGICO DA REGIÃO DE ESTUDO. FONTE: CPRM
Legenda:
Quaternário
8
Proterozóico
2.2
Geomorfologia da área de estudo
A área da baixada e da Baía de Sepetiba inserem-se nas Unidades
Morfoesculturais do Cinturão Orogênico do Atlântico, caracterizado como uma das
mais importantes feições geotectônicas da fachada atlântica brasileira, constituída
de um conjunto diversificado de rochas graníticas e gnáissicas submetidas a
diversos eventos orogenéticos ao longo do Pré-Cambriano e das Bacias
Sedimentares Cenozóicas, que representam uma das mais importantes feições
geotectônicas resultantes da tectônica extensional pós-cretácica no sudeste
brasileiro.
Compreende um conjunto de bacias tafrogênicas continentais de idade
terciária, denominadas “Sistema de Riftes da Serra do Mar” ou “Sistema de Riftes
Continentais do Sudeste do Brasil”.
A Ilha da Madeira é constituída quase que totalmente pela unidade
geomorfológica Alinhamentos Serranos e Degraus Estruturais. Esta unidade alcança
altitudes de até 219m na parte sul da ilha, vertentes amplas e fortemente inclinadas,
drenagens com declividade acentuada formando talvegues dissecados e vales
9
encaixados. Outras unidades que ocorrem por domínio de área são os manguezais, ao
norte da ilha entre o continente e os terrenos flúvio-marinhos adjacentes; aterros
ocupam o entorno da Ilha constituindo uma faixa marginal, principalmente ao norte,
provocada pela expansão urbana, e ao sul, provocada pela expansão do porto de
Itaguaí. Na região do projeto do estaleiro, um amplo anfiteatro, originalmente em
aluvião foi colmatado por aterro.
2.3
Clima
A área de estudo está localizada na costa do Atlântico Sul, na região do
município de Itaguaí no Estado do Rio de Janeiro, com a Serra do Mar no sentido SWNE e a baía de Sepetiba no sentido W-E como principais estruturas morfológicas
capazes de influenciar localmente o padrão de circulação atmosférica da região.
As características típicas desta região incluem elevado número de horas de
insolação, chuva freqüente, altos valores de umidade relativa, velocidades do vento de
intensidade baixa a moderada, e intensas tempestades de verão. Os verões são
bastante quentes e os invernos apresentam temperaturas amenas.
As maiores diferenças entre a estação de inverno (Junho, Julho e Agosto) e o
verão (Dezembro, Janeiro e Fevereiro) são as temperaturas e a quantidade de
precipitação com as temperaturas máximas e as precipitações mais intensas
ocorrendo durante o verão.
Os períodos de verão são longos, quentes e úmidos com pequena variação
diária. No inverno existem freqüentes trocas entre as massas de ar mais aquecidas do
Oceano Atlântico e o ar continental seco e frio.
No verão quase toda precipitação é devida a tempestades originadas por a
convecção local, e que ocorrem principalmente no período da tarde. As chuvas nos
meses de inverno são provocadas principalmente devido à passagem de sistemas
frontais já enfraquecidos durante a sua passagem pelo continente.
10
CAPÍTULO 3 – GEOLOGIA LOCAL
O substrato rochoso da Ilha da Madeira é constituído fundamentalmente de
rochas granitóides e gnáissicas pré-cambrianas, formadas durante a evolução da
Faixa Orogenética Ribeira, durante o Ciclo Tectônico Brasiliano. Geotectonicamente a
área está situada no terreno tectono-estratigráfico do Segmento Central da Faixa
Ribeira denominado Terreno Oriental ou Domínio Costeiro, caracterizado pela
presença marcante de ortognaisses gerados em ambiente colisional, onde se
destacam os ortognaisses e migmatitos do complexo Rio Negro e os granitóides
associados representados pelo Batólito Serra dos Órgãos e pelo Complexo Ilha da
Madeira.
O embasamento granito-gnáissico mostra-se afetado por deformações rúpteis
fanerozóicas relacionadas aos principais eventos de reativação da plataforma
Brasileira na região sudeste do Brasil, incluídos nas denominadas Reativação
Wealdeniana (ALMEIDA, 1967) e Evento Sul-Atlantiano (SCHOBBENAHUS, 1984).
Estes eventos são responsáveis, no Sudeste do Brasil, pela formação das bacias
marginais de Campos e Santos, cujos efeitos na área estão representados pelos
diques de diabásio eocretáceos (129-134 Ma - REGELOUS, 1990). São representados
ainda pelo magmatismo alcalino, que na Ilha da Madeira é representado apenas
indiretamente pela falha associada a brechas tectônicas silicificadas, as quais,
regionalmente, são tardias ao magmatismo alcalino, com idade de 50 Ma (VALENÇA,
1965; SANTOS, 1994).
Unidades Litológicas do Embasamento Granítico-Gnáissico
Na ilha são reconhecidas 3 unidades geológicas, sendo elas:
Batólito Serra dos Órgãos, ocorrendo na região central da ilha segundo uma
faixa de direção aproximadamente NE-SW, e com ocorrências isoladas em sua
porção mais a oeste;
Unidade Rio Negro em seu setor este-sudeste; e,
Complexo Ilha da Madeira em sua porção centro-noroeste.
As duas últimas apresentam contato com rochas granitóides do Batólito Serra dos
Órgãos.
O intemperismo, bem desenvolvido na área, dá origem a solos residuais
normalmente
recobertos
por
formações
superficiais
coluvionares,
onde
são
observados blocos rochosos sob a forma de matacões dispersos nas encostas e
zonas baixas a elas subjacentes.
11
Os afloramentos de rocha fresca são escassos, e as melhores observações do
arcabouço rochoso da ilha, são feitas em costões litorâneos como aqueles existentes
no litoral ocidental da ilha e pedreiras ativas, como a da Mineração Sepetiba, ou
naquelas desativadas. As melhores exposições do substrato rochoso, para avaliações
geológicas, encontram-se nas pedreiras citadas.
As observações das litologias e estruturas, existentes na Ilha da Madeira, são
extremamente dificultadas pelo grau de decomposição das rochas associada à densa
cobertura vegetal que ainda recobre os terrenos acidentados da ilha.
Mapa geológico da Ilha da Madeira em anexo (Anexo I). No
mapa
de
drenagens foram distinguidas as litologias presentes e a diretriz do túnel a ser
estudado.
12
CAPÍTULO 4 - FASES DE ESTUDO PARA A CONSTRUÇÃO DE TÚNEIS
4.1 Estudos Preliminares
O estudo preliminar é a fase do projeto onde se estuda a viabilidade e
estimativa preliminar de custos.
Esta é finalizada quando a diretriz do projeto é
definida e assim dando continuidade, iniciando o projeto básico.
Os estudos preliminares devem ser realizados minuciosamente, pois os
maiores riscos e restrições do projeto, que influenciam diretamente nos custos, devem
ser identificados antes de o início dos trabalhos.
Nesta fase do projeto os custos das obras são estimados apenas com os itens
mais significativos, tais como: escavação, revestimento, tratamento e emboque.
4.2 Projeto Básico
Esta etapa é caracterizada por levantamentos planialtimétricos, prospecções
geológicas e geotécnicas, projeto geométrico, estes são fundamentais para a
concepção de um túnel. Os estudos desta fase devem ser realizados juntamente com
o projeto geométrico, possibilitando ao projetista propor eventuais mudanças de
traçados que tornem a execução do túnel mais favorável. Nesta etapa o projeto é
detalhado para a compreensão dos métodos de execução da obra, estimativas das
quantidades envolvidas, cronogramas e o abastecimento de materiais e mão-de-obra,
tudo isso possibilitando uma estimativa precisa de custos para o orçamento da obra.
A prospecção e a caracterização geotécnica influenciam no projeto e na
execução da construção do túnel, porque através destas o método apropriado será
escolhido, tal qual prever soluções para as opções escolhidas.
13
CAPÍTULO 5 - MÉTODOS DE PROSPECÇÃO
É necessário um reconhecimento preliminar para a caracterização geotécnica
em uma construção de túnel. Isso se dá através de métodos de prospecção. Estes
podem incluir consultas a elementos de caracterização geológica de âmbito regional,
tal como interpretação fotogeológica, cartografia da superfície, estudo hidrogeológico,
as classificações geomecânicas e estudos de fraturação.
Com os métodos de prospecção referidos é possível obter alguns parâmetros
como grau de alteração, posição do lençol freático, a densidade e orientação das
diáclases, índices RMR (de Bieniawski) e Q (de Barton).
5.1 Prospecção de Campo
Nesta etapa de prospecção estão incluídos os métodos de geofísica, a
prospecção mecânica e os ensaios in situ.
A prospecção geofísica utiliza técnicas diretas e indiretas para a detecção de
anomalias nos maciços, podendo ser o método sísmico, elétrico e eletromagnético, e
casualmente gravimetria e magnetometria (detecção de cavidades).
5.1.1 Método sísmico
O método sísmico mais utilizado na geotecnia é a sísmica de refração, utilizada
na detecção de espessura e solos de cobertura, e em maciços mais brandos, para
detectar a posição do nível freático. Uma das vantagens desse método é o baixo
custo, mais em contrapartida os resultados não são muito bons em profundidades
superiores a 20 m ou quando camadas menos densas estiverem mais profundas.
5.1.2 Método elétrico
Utilizado para avaliar a resistividade aparente do terreno. Segundo Wahlstrom
(1973), estes métodos possuem um alcance médio de cerca de 100 m, sendo
adequados na detecção de aspectos importantes do maciço, como falhas e a posição
dos níveis freáticos ao longo do traçado do túnel.
5.1.3 Método eletromagnético
Mesma aplicação do método elétrico, utilizando georradares para a obtenção
de perfis de ondas eletromagnéticas, tendo um alcance que varia de 35 a 100 m.
14
Os métodos elétricos e eletromagnéticos podem ainda ser realizados no interior
de furos de sondagem, tanto no interior como entre dois furos (cross-hole), com isto é
possível detectar continuidade litológica, cavidades, zonas de falha, grau de fraturação
e o módulo de elasticidade, porém os furos de sondagem devem estar próximos, de
forma a permitir boas leituras (MCCANN, 1992).
5.1.4 Prospecção mecânica
Poços e galerias estão relacionados à prospecção mecânica, o método mais
utilizado e importante no reconhecimento geológico. Uma de suas vantagens é o fato
de estar em contato direto com o local de execução da obra, possibilitando a
realização de ensaios no local e coleta de amostras para demais ensaios. Porém
como desvantagem tem-se o alto custo.
O número de sondagens é baseado em estudos preliminares, procurando
amostragem em zonas de características mais adversas ou de maiores dúvidas.
O ideal é atingir zonas de falha, de cavalgamentos, de carsificação, e etc.,
procurando obter maiores informações destas estruturas complexas e de suma
importância em um projeto de túnel.
5.2 Ensaios in situ
Os ensaios in situ são de grande importância devido à grande dificuldade de se
obter amostras inalteradas, bem como o fato ser impossível recolher uma amostra
com dimensão suficiente para se representar a compartimentação e heterogeneidade
do maciço rochoso (MCCANN, 1992).
Existem dois grupos de ensaios que se aplicam na caracterização de túneis:
ensaios feitos através de testemunho de sondagem e ensaios no interior dos furos de
sondagem.
Através de testemunho de sondagem é possível ser feito ensaio de carga
pontual, deslizamento de diáclases (tilt-test) e esclerômetro, procurando obter
parâmetros relacionados com a resistência ao corte e resistência ao deslizamento de
diáclases.
Os ensaios nos furos de sondagem visam identificar as características do
maciço quanto à permeabilidade, deformabilidade e resistência.
Para se determinar a permeabilidade de um maciço rochoso, é comumente
utilizado o método de injeção de água, ensaio Lugeon. Este ensaio consiste na injeção
(radial) de água sob pressão num certo trecho de um furo de sondagem e na medição
da quantidade de água que entra no maciço rochoso durante certo tempo, a uma dada
pressão de injeção, depois de estabelecido um regime de escoamento permanente.
15
Os ensaios de deformabilidade consistem na aplicação de uma força a uma
placa rígida da área estabelecida como mais conveniente, em função do tipo de solo e
de natureza do problema, resultando em um deslocamento. Em maciços rochosos, a
princípio, o deslocamento é menor, dado que a área de contacto no ensaio é, em
regra, pequena e que há vantagem em determinar a deformabilidade dos maciços
rochosos não só com solicitações de maior grandeza como também envolvendo
volumes mais significativos para ter em conta a influência das heterogeneidades e
descontinuidades, recorre-se com frequência à realização de ensaios em galerias e
em poços onde as pressões são aplicadas nas paredes de um dos lados com recurso
a macacos hidráulicos, servindo as paredes opostas como elemento de reação do
sistema de aplicação das cargas. (Figura 4 e Figura 5)
FIGURA 4 - ENSAIO DE DEFORMABILIDADE EM MACIÇOS ROCHOSOS. EXEMPLO DE DISPOSITIVO PARA
ENSAIO DE PLACA COM CARGA APLICADA NAS PAREDES DE GALERIA.
16
FIGURA 5 - ENSAIO DE DEFORMABILIDADE EM MACIÇOS ROCHOSOS. ESQUEMA PARA ENSAIO DE PLACA
COM CARGA APLICADA NA BASE E TETO DE GALERIA.
Nesta etapa ainda estão também incluídas as caracterizações complementares
que incluem os ensaios de laboratório.
Os ensaios laboratoriais mais comuns compreendem ensaios de identificação,
petrológico, mineralógico, densidade e umidade natural, e os ensaios mecânicos como
o de compressão uniaxial, tração, compressão triaxial, ensaios de corte em rocha e
ensaios de deslizamento de descontinuidade.
“Em laboratório, diversos outros tipos de ensaios podem ser realizados, como
porosidade, densidade, permeabilidade, expansibilidade e desgaste, e em certos
casos avaliação de dureza pelo martelo de Schimidt ou esclerômetro, velocidade de
propagação das ondas elásticas e ensaio de carga pontual (LAMAS, 1993).”
TABELA 1– ENSAIOS DE ROCHAS EM LABORATÓRIO E PARÂMETROS RESULTANTES.
ENSAIO
PARÂMETRO
Compressão Uniaxial
Módulo de elasticidade, Coeficiente de
Poisson
Compressão Triaxial
Deformabilidade
em
meio
confinado
lateralmente, resistência ao corte
Corte Direto
Resistência ao corte
Deslizamento de diáclase
Resistência ao deslizamento
Compressão diametral
Resistência a tração
17
A posição do emboque do túnel é um dos aspectos mais importantes a ser
considerado, pois ele pode determinar a localização e o traçado do túnel. Para o seu
reconhecimento, inclui sísmica de refração e as sondagens horizontais. Os taludes nas
zonas de emboque dever ser estudados também, pois são determinantes para o
projeto e execução da obra.
Um dos condicionantes para ser verificado no decorrer de uma construção de
túneis, é uma continua prospecção das frentes de escavação e seus custos.
Existem alguns métodos simples, de baixo custo, fácil de manusear, pouco
interfere na construção e de pequeno período de duração. São eles:
Observação da frente do túnel: As primeiras características geomecânicas
do tipo material são observadas. Este método engloba o levantamento do grau
de fraturação, de alteração e etc.
Perfurabilidade do Maciço: Os parâmetros de perfuração como velocidade e
força, nos dão características do material. Existem equipamentos de
perfuração com sistemas computacionais que analisam diretamente o maciço,
caracterizando a facilidade ou dificuldade de escavação.
Sondagem em avanço: A realização de sondagem em frente de desmonte,
com recuperação do testemunho, permite obter diversos parâmetros como
grau de fraturação e resistência da rocha, podendo identificar qualquer
mudança nas propriedades do maciço, assim preparando as técnicas de
desmonte e suporte convenientes.
Martelo de Schmidt: A aplicação deste aparelho na frente de desmonte é de
grande importância, caracterizando o maciço quanto a sua dureza e integrando
com as outras informações disponíveis.
Técnicas Geofísicas: Equipamentos geofísicos de pequenas dimensões,
operáveis dentro do túnel, ajudam na identificação das condições da frente de
desmonte.
Presença de equipamentos de laboratório em campo: A presença de
equipamentos laboratoriais de pequeno porte, fácil manuseio, baixo custo e
possuam facilidade de recolha e análise de amostras, como as prensas de
carga pontual e de corte direto portátil, que podem ser operadas com amostras
sem preparo e em tempo reduzido, auxiliam no método de escavação.
Os métodos acima descritos são complementos aos trabalhos de prospecção da
fase de projeto. A integração das técnicas de prospecção com os métodos citados
podem alterar os critérios de desmonte, sustentação, revestimento e outros.
18
5.3 Túnel Piloto
Em obras de grandes dimensões, cuja dificuldade seja significativa, são
executados túneis piloto, que auxiliam demasiadamente na execução da obra. A
realização de um túnel piloto permite o contato e o estudo do maciço rochoso, sendo
um dos melhores métodos de prospecção em avanço. Estes túneis também são
usados para a realização de testes in situ dos métodos de escavação e tipos de
suporte, permitindo o tratamento do maciço escavado e facilitando o desmonte de
frente, abrindo acesso para equipamentos.
FIGURA 6 - TÚNEL PILOTO NA ESCAVAÇÃO DE UMA OBRA SUBTERRÂNEA (ADAPTADO DE AFTES[1],
1996).
19
CAPÍTULO 6 - ESCAVAÇÃO EM MACIÇOS ROCHOSOS
A escavação em maciço rochoso é uma atividade complexa e de suma
importância para a construção de túneis. Esta é a atividade que apresenta maiores
implicações para a execução de uma obra subterrânea.
Como vertentes dos métodos de escavação, equipamentos utilizados e
velocidades de avanço, afetam todas as operações realizada para esse fim, como a
remoção de escombros, o dimensionamento e instalação de suportes (primários e
secundários), iluminação, drenagem, ventilação e também as condições de segurança
do túnel.
6.1 Critérios de escavabilidade
Denomina-se escavabilidade de um maciço, sua resistência aos equipamentos
de escavação, sejam eles mecânicos ou explosivos.
A escavação de um maciço rochoso leva em consideração duas características
principais de um maciço, resistência de rocha e fraturações existentes. Diversos
autores utilizam essas características associadas a fatores como resistência a
compressão uniaxial, resistência à carga pontual, resistência à tração, número de
Schmidt, velocidade das ondas sísmicas, dureza, grau de alteração, grau de
abrasividade, espaçamento de diáclases, RQD (Rock Quality Designation), RMR
(Rock Mass Rating), parâmetros do sistema de classificação Q de Barton,
continuidade, orientação e preenchimento de diáclases, tamanho de blocos, etc.
Os critérios mais utilizados para escavação são: método de Franklin et al (1971), o
método de Weaver (1975), o método de Atkinson (1977), o método de Romana (1981),
o método de Kirsten (1982), o método de Abdullatif e Cruden (1983), o método de
Scoble e Muftuoglu (1984), o método de Hadjigiorgiou e Scoble (1988) e o método de
Singh et al (1989).
TABELA 2 - PRINCIPAIS CRITÉRIOS DE ESCAVABILIDADE E PARÂMETROS MECÂNICOS ASSOCIADOS.
Critérios de escavabilidade
Parâmetros
Is50
Franklin (1971)
(índice
de
resistência
pontual),
espaçamento
fracturas,
resistência
à
à
carga
médio
entre
compressão
simples, número de Schmidt, RQD
Velocidade sísmica, dureza, grau de
alteração,
e
o
espaçamento,
20
Weaver (1975)
continuidade, preenchimento e orientação
de diáclases
Atkinson (1977)
Resistência à compressão simples
Resistência à compressão uniaxial, RQD,
Romana (1981)
grau de abrasividade (equivalente de
sílica)
Resistência à compressão uniaxial, RQD,
Jn e Jr do sistema de classificação Q de
Kirsten (1982)
Barton, posição relativa dos blocos,
alteração de diáclases
Abdullatif e Cruden (1983)
RMR
Grau
Scoble e Muftuoglu (1984)
de
alteração,
resistência
à
compressão uniaxial, resistência à carga
pontual, espaçamento de diáclases
Resistência à carga pontual, tamanho de
Hadjigiorgiou e Scoble (1988)
blocos, grau de alteração, disposição
estrutural relativa
Singh (1989)
Resistência à tração, grau de alteração,
grau de abrasividade, espaçamento de
diáclases
Sobreescavação é o efeito da extração de rocha fora dos limites definidos para
a abertura do túnel. Esta consequência acarreta elevados prejuízos econômicos, uma
vez que motiva a existência de mais escombros (maiores custos na remoção), implica
maior quantidade de materiais de enchimento (maiores custos em concreto jateado) e
acarreta a utilização de suportes mais competentes devido ao aumento do vão nos
tetos e laterais.
21
CAPÍTULO 7 – SUPORTE DE MACIÇOS ROCHOSOS
A abertura de uma cavidade subterrânea induz uma alteração no estado de
tensão pré-existente no maciço, motivando, na maioria dos casos, a necessidade de
instalação de sistemas de suporte que garantam a estabilidade dessa cavidade.
O objetivo primordial do projeto de suporte de uma escavação subterrânea
consiste na utilização da rocha como o principal material estrutural resistente. Assim,
deve-se evitar deteriorar o maciço no decorrer da escavação, de forma a aplicar o
mínimo de elementos artificiais de sustentação.
Em seu estado natural, quando sujeitas a ações de compressão, a maioria das
rochas duras são bem mais resistentes que o concreto e algumas são mesmo tão
resistentes como o aço.
As causas de instabilidade referem-se à presença de falhas e descontinuidades
em rochas competentes que, pela sua atitude, podem individualizar volumes de rocha.
Nestes casos as condições de estabilidade podem ser melhoradas através da
reorientação do traçado do túnel, bem como pela aplicação de pregagens e
ancoragens.
A elevada magnitude das tensões in situ são geralmente características de
rochas duras, de elevadas profundidades ou de cavidades de grande dimensão. Estas
condições podem-se verificar na escavação de túneis em regiões montanhosas muito
escarpadas. Uma forma de evitar os efeitos provocados consiste em ajustar a
orientação e a forma da seção do túnel de acordo com o estado de tensão existente
ou, se isso não for possível, promover um substancial reforço do suporte.
A instabilidade devida à expansão ou decomposição da rocha por ação da
água ou ar, ocorre geralmente em maciços rochosos brandos ou em camadas e filões
intercalados em rochas duras. Nestes casos, as medidas preventivas adotadas
consistem em isolar esses locais através de revestimentos que impeçam a exposição
da rocha ao ar e à água.
As instabilidades devidas à pressão ou percolação de água, podem ocorrer em
praticamente qualquer tipo de maciço rochoso. Os efeitos devidos a estas
circunstâncias só atingem proporções significativas quando associadas a um ou mais
dos pontos anteriores. Nestes casos, as medidas a adotar passam pela drenagem
e/ou revestimento do túnel de forma a reduzir a pressão e reencaminhar o fluxo de
água.
Os sistemas de suporte utilizados devem possuir características de forma e
resistência adequadas, para o tipo de maciço existente e para as condições
geomecânicas do local.
22
O suporte primário de um túnel é aquele cuja aplicação ocorre imediatamente
apos à escavação e, preferencialmente, no menor espaço de tempo possível. O
objetivo deste tipo de suporte é de estabilizar a cavidade, de forma a garantir a
segurança dos trabalhos futuros e a geometria desejável. Por outro lado, o suporte
secundário ou definitivo destina-se a garantir a estabilidade a longo prazo e a
estabelecer as condições de serviço da infraestrutura.
7.1 – Métodos de suporte primário
A instalação do suporte primário de túneis, também denominado de provisório
ou temporário, é de extrema importância na execução de um túnel. Na maioria das
obras subterrâneas, o suporte primário permanece instalado por todo o período de
vida da obra, uma vez que não é retirado durante a instalação do suporte secundário
ou definitivo.
Os sistemas de suporte primário, ou provisório, mais utilizados são pregagem,
ancoragens, cambotas, rede metálica, chapas metálicas, concreto projetado, tirantes,
chumbadores, madeira, etc.
Pelo fato de ser um suporte aplicado por um curto prazo de tempo, os cálculos
para sua aplicabilidade devem ser de total precisão, pois o fator segurança está
atribuído a este elemento.
Para se decidir o dimensionamento do suporte primário estudos, como os de
prospecção e projeto, deverão ser feitos com mais precisão em virtude do gradual
acréscimo de informação.
7.1.1 – Considerações sobre os tipos de suportes primários
Os suportes por pregagens e por ancoragens diferem entre si pela dimensão
envolvida do maciço sustentado. Enquanto as pregagens têm a função de suportar
blocos instáveis, tendo uma função pontual, as ancoragens destinam-se a fornecer ao
maciço uma ação de confinamento que permite aproveitar as suas características
próprias de sustentação.
A aplicação de cambotas metálicas constitui um método de suporte primário
amplamente utilizado em solos e rochas muito fraturadas. Estes sustentamentos em
aço possuem vantagens significativas, devido as excelentes resistências mecânicas
aos esforços de tração e de compressão, resistindo a elevados momentos de flexão;
elevado
módulo
de
elasticidade
e
ductilidade;
facilidade
de
modelação;
homogeneidade e fácil controle de qualidade e atuação em condições favoráveis após
o seu limite elástico.
23
A utilização de rede metálica (Figura 7) é frequentemente utilizada no suporte
primário de túneis, aplicando-se juntamente com as cambotas metálicas ou com as
pregagens. Em ambos os casos, a utilização de rede metálica é um método de suporte
aconselhável em maciços com fraturação significativa.
FIGURA 7 - CAMBOTAS E REDE METÁLICA NO SUPORTE DE UM TÚNEL.
O concreto projetado (Figura 8) constitui, atualmente, um elemento
praticamente obrigatório na construção de túneis, desempenhando um papel
primordial na sustentação a curto prazo das frentes e perímetro destas obras. A
aplicação de sucessivas camadas de concreto projetado, associadas à rede metálica,
é uma metodologia favorável no controle das convergências em túneis, constituindo
assim um acréscimo gradual no reforço do suporte primário.
24
FIGURA 8 - CONCRETO PROJETADO
7.2 – Métodos de suporte secundário
O suporte secundário, ou definitivo, de um túnel é, em geral, uma estrutura de
aço ou concreto que envolve a cavidade do túnel. Este revestimento pode ser
aplicado sobre o sistema de suporte primário ou diretamente em contato com o
terreno, para túneis auto-sustentados ou com elementos de suporte primário
descontínuos (pregagens, ancoragens).
A finalidade do revestimento secundário assenta nos seguintes objetivos:
Função resistente, para assegurar a estabilidade a longo prazo;
Impermeabilização, impedir fluxo de água para o interior do túnel;
Estética, conferir ao túnel um aspecto regular e uniforme de acabamento final;
Funcional, conferir as necessárias características de serviço, no que se refere
à melhoria da eficiência da ventilação e iluminação (túneis rodoviários) ou da
capacidade hidráulica (túneis de saneamento ou abastecimento).
25
CAPÍTULO 8 – CLASSIFICAÇÃO DE MACIÇOS ROCHOSOS
Existem, atualmente, várias classificações de maciços rochosos, propostas por
diversos autores, destacando-se entre elas as classificações de Bieniawski e de
Barton
em
virtude
de
constituírem
as
de
aplicação
mais
frequente
e
consequentemente as de maior experiência acumulada.
8.1 – Método de classificação de Bieniawski
Bieniawski publicou esta classificação em 1976, tendo por base uma vasta
experiência colhida em obras subterrâneas. A classificação de Bieniawski ou Sistema
RMR (“Rock Mass Rating”) é, atualmente, muito divulgada e tem sido sucessivamente
refinada à medida que são incluídos os resultados de análises de um maior número de
casos práticos.
A classificação geomecânica é baseada na atribuição de seis parâmetros que
Bieniawski considerou contribuírem mais significativamente para o comportamento dos
maciços rochosos, tendo em atenção especial o caso das obras subterrâneas. O
somatório dos pesos atribuídos a cada um destes parâmetros constitui um índice,
usualmente designado por RMR, ao qual corresponde uma das cinco classes de
qualidade de maciços, consideradas pelo autor. Os parâmetros utilizados são os
seguintes:
1. Resistência à compressão uniaxial da rocha ou o índice de resistência à
compressão pontual [MPa];
2. Índice RQD, relativo à qualidade da perfuração [%];
3. Grau de fraturação do maciço, através do espaçamento médio entre
descontinuidades [m];
4. Estado das descontinuidades, segundo a rugosidade [qualitativo];
5. Influência da água;
6. Orientação das descontinuidades.
A classificação de um maciço rochoso implica na divisão deste em várias
regiões estruturais (zonas) a serem classificadas separadamente. As divisões destas
regiões coincidem usualmente com as estruturas geológicas principais, tais como
falhas ou mudanças do tipo de rocha. Em alguns casos, dentro do mesmo tipo de
rocha, as mudanças significativas no espaçamento das descontinuidades, ou das
características destas, podem obrigar à subdivisão do maciço rochoso em um maior
número de regiões estruturais de menor dimensão.
26
A Tabela 3 permite determinar os pesos relativos a cinco das características
(1. a 5.). O peso relativo à condição descontinuidades (4.) pode ser determinado
através da Tabela 4 se houver uma descrição mais detalhada das juntas. Neste caso,
o valor do peso é determinado através da soma dos cinco parâmetros característicos
referidos nessa tabela. No caso de não haver valores disponíveis para utilizar esta
tabela deverá ser escolhida a descrição da Tabela 4 mais próxima da realidade.
A orientação das descontinuidades em relação à orientação da escavação
traduz-se num peso (6.) que constitui um fator corretor do somatório e é determinado
através da Tabela 5. A direção das descontinuidades referida corresponde à do “strike”
(reta horizontal) do plano destas. Tratando-se da escavação de um túnel, a abertura
no sentido da inclinação da descontinuidade corresponderá à indicada na Figura 9.a e
a abertura contra a inclinação à Figura 9.b.
FIGURA 9 - ORIENTAÇÃO DE TÚNEL EM RELAÇÃO AOS PLANOS DE DESCONTINUIDADES.
A Tabela 6 classifica o maciço rochoso em cinco classes de acordo com o valor
do índice RMR, dando ainda indicações do tempo médio de auto-sustentação para
vãos não revestidos em túneis (períodos de tempo durante os quais deverá ser
colocado o suporte sob pena de ocorrer o colapso previsível da abertura). São
também dadas estimativas relativas às características resistentes do maciço rochoso,
nomeadamente, a coesão e o ângulo de atrito.
27
TABELA 3 - CLASSIFICAÇÃO GEOMECÂNICA DE BIENIAWSKI (1989) - "ROCK MASS RATING - RMR".
28
TABELA 4 - CLASSIFICAÇÃO DA CONDIÇÃO DAS DESCONTINUIDADES - RMR (1989).
TABELA 5 - EFEITO DA ORIENTAÇÃO DAS DESCONTINUIDADES - RMR (1989).
29
TABELA 6 - CLASSES DE MACIÇOS - RMR (1989).
8.2 – Método de classificação de Barton
Com fundamento na observação de um grande número de escavações
subterrâneas, Barton, Lien e Lund, do Norwegian Geotechnical Institute, propuseram,
em 1974, uma classificação que assenta na definição de um índice de qualidade Q
baseado na análise de 6 fatores considerados relevantes para a caracterização do
comportamento dos maciços rochosos.
O valor numérico do índice Q apresenta um largo campo de variação, entre 103 e 103, e é determinado pela expressão seguinte:
Os parâmetros da expressão de Barton têm o significado indicado nas Tabela 7
a Tabela 11.
Ressaltando que os três quocientes que compõem a expressão correspondem
a três aspectos relativos ao maciço rochoso:
1. RQD / Jn caracteriza a estrutura do maciço rochoso e constitui uma
medida do bloco unitário deste; o seu valor, variável entre 200 e 0,5, dá
uma idéia genérica da dimensão dos blocos;
2. Jr / Ja caracteriza as descontinuidades e/ou o seu enchimento sob o
aspecto da rugosidade e do grau de alteração; este quociente é
crescente com o incremento da rugosidade e diminui com o grau de
30
alteração das paredes em contato direto, situações a que correspondem
aumentos da resistência ao corte; o quociente diminui, tal como a
resistência ao corte, quando as descontinuidades têm preenchimentos
argilosos ou quando se encontram abertas;
3. Jw / SRF representa o estado de tensão no maciço rochoso; o fator
SRF caracteriza o estado de tensão no maciço rochoso, em
profundidade, ou as tensões de expansibilidade em formações
incompetentes de comportamento plástico, sendo a sua avaliação feita
a partir de evidências de liberação de tensões (explosões de rocha,
etc.), a partir da ocorrência de zonas de escorregamento ou de
alteração localizada; o fator Jw representa a medida da pressão da
água, que tem um efeito adverso na resistência ao escorregamento das
descontinuidades.
O sistema Q considera os parâmetros Jn, Jr e Ja como tendo uma importância
relativa superior ao papel desempenhado pela orientação das descontinuidades.
Contudo, o parâmetro orientação não é totalmente ignorado, pois está implícita a sua
contribuição nos fatores Jr e Ja, dado que na ponderação destes deverão ser
consideradas as descontinuidades mais desvaforáveis.
Baseado no sistema de classificação Q são propostas recomendações quanto
ao tipo de suporte necessário à estabilidade de maciços rochosos interessados na
construção de túneis. Na Figura 10 apresenta-se um gráfico proposto por Grimstad e
Barton (1993) que permite estimar o tipo de suporte em função do valor designado por
Dimensão Equivalente, De, da escavação. Esta grandeza é obtida dividindo o vão,
diâmetro ou altura da escavação, por um índice, ESR (Excavation Support Ratio), que
constitui um fator de segurança definido em função do tipo de obra (Tabela 12).
TABELA 7 - RQD - DESIGNAÇÃO DA QUALIDADE DA ROCHA (Q.1).
31
TABELA 8 - J N - ÍNDICE DAS FAMÍLIAS DE JUNTAS (Q.2).
TABELA 9 - J R - ÍNDICE DE RUGOSIDADE DAS JUNTAS (Q.3).
32
TABELA 10 - J A - GRAU DE ALTERAÇÃO DAS DESCONTINUIDADES (Q.4).
TABELA 11 - J W - ÍNDICE DAS CONDIÇÕES HIDROGEOLÓGICAS (Q.5).
33
TABELA 12 - SRF - FATOR DE REDUÇÃO DE TENSÕES (Q.6).
TABELA 13 - ÍNDICE DE SEGURANÇA ESR PARA DIFERENTES OBRAS SUBTERRÂNEAS (Q).
34
FIGURA 10 - CLASSES DE SUPORTE DEFINIDAS PARA O SISTEMA Q (GRIMSTAD E BARTON, 1993).
35
CAPÍTULO 9 – ESTUDO DE CASO
Como estudo de caso será analisada a obra de um túnel, na região da Ilha da
Madeira no município de Itaguaí, Rio de Janeiro. Este tem como finalidade atender ao
escoamento de minério através do Porto Sudeste via mineroduto, com finalidade de
exportação, principalmente minério de ferro.
Este túnel tem direção N70ºE, comprimento da ordem de 1800 m, com
cobertura máxima de 160 m, com cerca de 11 m de altura e 20 m de largura na base,
constituindo uma seção de ordem de 200 m2 , talvez o túnel viário de maior seção do
Brasil. Seu emboque (Figura 11) está localizado no talude da praça da pedreira,
enquanto seu desemboque se localiza na praia dando acesso às obras off-shore
(Figura 12).
FIGURA 11- EMBOQUE DO TÚNEL LOCALIZADO NO TALUDE DA PRAÇA DA PEDREIRA
36
FIGURA 12 - VISTA DA PARTE SUPERIOR DO DESEMBOQUE
9.1 - Geologia da área de influência do Túnel
A área de construção do túnel engloba duas litologias diferentes, um biotitaanfibólio (-granada) granito, pertencente ao Batólito Serra dos Órgãos e um
ortoclásio (-granada) granito do Complexo Ilha da Madeira.
O biotita-anfibólio (-granada) granito ocorre na área do emboque, é de cor
cinza claro a esbranquiçado, foliado, com xenólitos de biotita gnaisse. No desemboque
ocorre o ortoclásio (-granada) granito, de característica homogênea a foliado. Há
presença de charnockito e mostra xenólitos gnáissicos e migmatíticos.
Batólito Serra dos Órgãos
Ocorre na área do emboque, é melhor observado na Pedreira Sepetiba, onde
se apresenta sob a forma de uma rocha granitóide à anfibólio e biotita, com a
presença de granada, de grão médio a grosso, de tons claros acinzentados, às vezes
esverdeados ou amarronzados, com variação leuco a mesocrático, normalmente
apresentando textura gnáissica com foliação incipiente, e descontínua, dada por
alinhamentos de aglomerados centimétricos de biotita e hornblenda. Quando presente,
a foliação pode apresentar pequenas dobras de uma fase tardia de deformação, onde
37
podem ocorrer faixas localizadas de cisalhamento e “arraste”. Em alguns pontos
apresenta-se com aspecto nitidamente granítico, com xenólitos das litologias
encaixantes da Unidade Rio Negro, em geral gnaisses bandados. Em alguns pontos, a
rocha granitóide da Unidade Batólito Serra dos Órgãos, adquire uma coloração escura
e esverdeada, na forma de grandes bolsões, onde a passagem de um termo para o
outro se faz bruscamente ou sutilmente transicional, dando à rocha um aspecto
charnockítico (Figura 13).
FIGURA 13 - AMOSTRA DE MÃO DE ROCHA GRANITÓIDE DO BATÓLITO SERRA DOS ÓRGÃOS,
MOSTRANDO VARIAÇÃO EM COR, DE CINZA CLARO PARA VERDE GARRAFA. PEDREIRA SEPETIBA.
Essa litologia, na Pedreira Sepetiba, é cortada por diques de granitos,
pegmatitos e principalmente de diabásios de diferentes espessuras, alojados em
fraturas de direção predominantemente NE-SW.
Complexo Ilha da Madeira
O domínio no setor centro-noroeste da ilha, área do desemboque, é
identificado pela presença de rochas graníticas de grão médio a grosso, hipidiomórfica
inequigranular, homogênea em parte porfirítica, orientada ou não, foliada em áreas
restritas, de cores acinzentadas a verde escuro, que lembram charnockitos.
Considera-se um ortoclásio-biotita (pirobólio) (granada) granito, com a presença de
38
xenólitos de rochas gnáissicas e migmáticas (Figura 14). Não são observados
contatos com as rochas envolventes, sendo raros afloramentos com rocha
relativamente fresca, o que dificulta na área, a sua caracterização. Em trecho do litoral
ocidental da ilha, está exposta em costões que apresentam coloração violeta nas
partes em contato direto com as águas do mar. Em seu domínio e na porção mais ao
norte da ilha,
próximo à área do emboque, são encontrados matacões de rocha
granítica, biotítica, de grão fino ou médio com tendência porfirítica, com nítida
orientação possivelmente de fluxo magmático, dada pelo alinhamento de ripas de
feldspato. Assemelha-se àqueles granitos tipicamente pós-tectônicos associados a
diques profusamente encontrados nessa região do estado.
FIGURA 14 - ROCHA GRANITÓIDE DO COMPLEXO ILHA DA MADEIRA.
39
Análise petrográfica de uma amostra do maciço granítico por onde o túnel será
escavado (Figura 15)
ANÁLISE PETROGRÁFICA
Procedência: Pedreira Sepetiba
Data coleta: junho - 2005
Data ensaio: novembro - 2005
Classificação Petrográfica: Gnaisse granítico
COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA
Minerais Essenciais: K-feldspato (microclina e ortoclásio pertítico) – 35%,
plagioclásio – 28%, quartzo – 32%, biotita – 5%
Minerais Acessórios: minerais opacos, apatita, zircão, epidoto, titanita, clorita
CARACTERÍSTICAS
Cor no estado seco: cinza
Rocha muito coerente
Estrutura: bandada
Textura: Cristais de granulometria bem variada. Maiores minerais são de K-feldspato
e de plagioclásio.
Granulometria: Seriada, com variação entre 0,5mm e 0,1mm (muito fina)
Deformação: Deformação exibindo extinção ondulante de 9º nos grãos de quartzo,
Kfeldspato e plagioclásio. Contatos entre os grãos, principalmente entre os de Kfeldspato e plagioclásio, corroídos, deixando de apresentar faces ígneas. Intenso
processo de recristalização dos minerais de K-feldspato, plagioclásio, quartzo e biotita.
Indícios de reatividade potencial aos álcalis.
40
DETALHE DA TEXTURA DA ROCHA
FIGURA 15 - CARACTERÍSTICAS DA FOTOMICROGRAFIA - NICOL: CRUZADO - OBJETIVA 2,5 X , 10X.
Diques
Uma das feições geológicas de fundamental importância para esta obra são os
diques de diabásio, estes são identificados principalmente na porção norte da ilha da
Madeira, na Pedreira Sepetiba, onde ocorrem três diques com espessura variando
entre dois e três metros. (Figura 16) Um deles tem 30 centímetros de espessura. Fora
da Pedreira Sepetiba identificou-se apenas mais um dique de diabásio, com 15
centímetros de espessura, na porção SW da ilha. Considera-se que esta ocorrência
localizada dos diques de diabásio relaciona-se, em parte, à espessa cobertura de tálus
e de solo residual, porém deve-se registrar que mesmo nos costões rochosos
expostos na porção oeste e sudeste da ilha não foram identificados diques mais
espessos, indicando que a sua ocorrência é, de fato, mais abundante na porção norte
da ilha.
41
FIGURA 16 - DIQUES DE DIABÁSIO DE DIREÇÃO NE-SW E ESPESSURA MÉTRICA A DECIMÉTRICA,
CORTANDO ORTOGNAISSES DO BATÓLITO SERRA DOS ÓRGÃOS. PEDREIRA SEPETIBA, ILHA DA
MADEIRA.
A presença de planos estriados na borda desses diques indica que intrudiram
em fraturas híbridas, com movimentação de cisalhamento contemporânea com a
abertura do conduto.
No lado SW da ilha da Madeira foi identificado apenas um dique, de espessura
decimétrica e de direção E-W. Apesar da pequena espessura do dique o fraturamento
associado a ele apresenta uma espessura de quase um metro, com densidade
centimétrica a decimétrica e continuidade hectométrica.
A continuidade dos diques de diabásio constitui um aspecto geológico (e
geotécnico) importante para o projeto em andamento. Dados estatísticos levantados
na Islândia (POLLARD, 1987) indicaram uma relação de 1:1000 entre a espessura e o
comprimento de diques básicos. Considerando a espessura entre dois a três metros
apresentada pelos diques de diabásio reconhecidos na Pedreira Sepetiba, pode-se
inferir a sua provável persistência até o outro lado da ilha, a oeste.
9.2 - Perfil
O perfil (Anexo II) está localizado em planta (na diretriz do túnel) com escalas:
EH=1:10.000 e EV=1:5.000 com a geologia do túnel que se encontra atualmente em
construção. O greide do emboque e desemboque são próximos ao nível do mar, ou
42
seja, da ordem de 10m de cota nestes pontos, conforme observado no
reconhecimento de campo. Antes da construção houve investigação por sondagem
geofísica e mecânica. Esses dados deverão ser contemplados em trabalho próximo
previsto na continuação dos estudos na área. No emboque, localizado no talude da
pedreira, ocorre rocha sã em toda a seção inicial. No desemboque nota-se maior
expressão de cobertura de solo e rocha alterada.
9.3 – Mapa de drenagem
O mapa de drenagem (Anexo III), confeccionado através de fotointerpretação,
com as litologias distinguidas e a diretriz do túnel apontada no mesmo. Este tem como
finalidade uma avaliação das drenagens naturais para fim de suporte no planejamento
e execução da obra. Reconhecimento de campo mostrou espessa cobertura de solo
transicionando para o maciço rochoso onde se desenvolve o traçado do túnel. A
dissecação do relevo formando talvegues profundos cortando a diretriz em superfície,
indica que deverá ocorrer presença de nível d´água no teto do túnel, podendo ser visto
no mapa de drenagem, o que poderá exigir cuidados na escavação.
43
CAPÍTULO 10 - CONCLUSÃO
Este trabalho somente foi possível devido a estudos geológicos anteriores
existentes, desenvolvidos pelo DRM/RJ, com o mapeamento da folha Itaguaí, e o
estudo mais específico do geólogo André Ferrari, visando suporte ao estaleiro da
Marinha que vem sendo implantado na Ilha da Madeira. Com base no conhecimento
dessa literatura e o reconhecimento de campo feito no entorno da ilha, locais de
acesso público, permitiu o entendimento do arcabouço geológico. Da mesma forma
com relação aos estudos e projetos de obras subterrâneas, foi possível um
levantamento preliminar da literatura, de modo a entender a conceituação da
construção de túneis.
E finalmente um estudo de caso próximo a Universidade Rural, motivou o
desenvolvimento deste trabalho. Dentro do que foi proposto, os objetivos foram
alcançados, pois foi possível desenvolver uma geologia regional e também uma
geologia local da área onde está sendo escavado o túnel.
Quanto aos critérios de escavação abordados, o propósito foi exatamente
apresentar esta pesquisa de forma a ser utilizada no prosseguimento dos estudos, que
deverá ser levado a diante através de outra monografia que irá abordar a escavação
propriamente dita.
44
CAPÍTULO 11 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Paulo.
WAHLSTROM, E. E. (1973) - “Tunneling in rock”. Ed. Elsevier scientific publishing
company. p. 250.
46
CAPÍTULO 12 - ANEXOS
47
Anexo I – Mapa Geológico da Ilha da Madeira
48
Anexo II – Seção Geológica
49
Anexo III – Mapa de Drenagens
50