Abrindo caminho centenas de metros abaixo do nível-da superfície e enfrentando condições desafiadoras, as máquinas perfuradoras de túneis (TBMs) revolucionaram a infraestrutura subterrânea
Com alguns deles medindo até 60 km de comprimento e 2,4 km de profundidade, os túneis representam alguns dos desafios de engenharia mais difíceis do mundo. Percorrendo montanhas e sob rios e mares, esses grandes projetos só são possíveis por meio de equipamentos-construídos em aço. É o aço que mantém a resistência e o peso dos quais dependem os TBMs que criam essas estradas e ferrovias subterrâneas.
A construção de túneis anteriores envolvia técnicas, como a escavação manual ou a utilização de explosivos, que limitavam severamente o âmbito dos projectos subterrâneos. Então, no início da década de 1950, o primeiro TBM moderno foi desenvolvido por James Robbins para o Projeto da Barragem de Oahe, nos EUA. Esta primeira máquina foi projetada para escavar formações rochosas de xisto fraco usando cortadores em forma de haltere. A necessidade de escavação em rocha dura levou Robbins a desenvolver o cortador de disco rolante em 1956, que se tornou a base do projeto para todos os TBMs modernos.
Um material insubstituível
Apesar do avanço dos compósitos de carbono em muitas indústrias, bem como do potencial do alumínio e do titânio, quando se trata dos desafios únicos de engenharia dos TBMs, nada se compara às qualidades do aço.
"Não há realmente outro material com o qual você possa construir [TBMs]. Quero dizer, você poderia aparentemente construir um de alumínio ou titânio ou algum outro material, mas seria absurdamente caro", diz Tyler Sandell, diretor de desenvolvimento de negócios da Robbins, o fabricante original da década de 1950 que ainda produz TBMs até hoje.
Os TBMs modernos podem atingir até 400 metros de comprimento e pesar até 1.000 toneladas, com uma seção transversal circular na cabeça que escava diferentes tipos de solo e rochas para criar o túnel. Esses gigantes industriais usam cortadores de disco de aço temperado e atrás da cabeça da unidade, conhecida como escudo frontal, há um conjunto de equipamentos de monitoramento e backup-de alta tecnologia e um transportador para que o solo e a rocha possam ser constantemente removidos durante a escavação.
Construção subterrânea
Dois exemplos de projetos de túneis que seriam impossíveis sem a moderna tecnologia TBM são o Túnel da Eurásia, com 14,5 km{1}}de extensão, que conecta as margens europeia e asiática do rio Bósforo, na Turquia, e o Túnel da Base de São Gotardo, que passa sob os Alpes Suíços. O Eurásia foi construído para o transporte rodoviário e aliviou o congestionamento nas ruas movimentadas de Istambul, enquanto o Gotthard alberga uma linha ferroviária com cerca de 2,4 km de profundidade no seu ponto mais profundo, que levou quase 20 anos a ser construída.
“Estamos ficando sem espaço na superfície, então é preciso ir para o subsolo para criar sua infraestrutura”, explica Sandell. A criação de linhas ferroviárias e estradas subterrâneas começou seriamente no século XIX. Os primeiros TBMs tinham várias ferramentas de escavação na frente que quebrariam o solo e a rocha, mas esse entulho não seria capturado pela máquina. Em vez disso, seria transferido de volta para o ponto de entrada do TBM por um transportador helicoidal que passava sob a máquina em avanço, em vez de ser integrado à própria unidade.
“Toda a construção, principalmente a blindagem frontal onde é feita a escavação do túnel, é constituída por chapa de aço”
Wolfram Hoelbling, Dillinger
Os avanços nos TBMs desde então incluíram a cabeça de corte circular que escava diferentes solos e rochas com vários graus de dureza e teor de água. Existem três tipos diferentes de TBM, um para rocha dura, um para solo macio e o terceiro, denominado modo duplo, é para misturas dos dois. Quaisquer que sejam as condições em que um TBM esteja operando, as vibrações geradas pelo atrito entre a cabeça de corte e o solo ou rocha exigem uma estrutura forte e pesada que possa resistir a elas. Por esta razão, a chapa pesada utilizada para a blindagem frontal é feita de aços de grão fino de acordo com a norma estrutural internacional EN 10 O25. Sem esta resistência, a unidade de escavação de túneis poderia potencialmente se despedaçar durante a escavação.
Um gigante-construído em aço
“Toda a construção, especialmente a blindagem frontal onde é feito o túnel, consiste em chapa de aço”, diz Wolfram Hoelbling, chefe de máquinas pesadas, equipamentos de construção e centro de serviços de aço no departamento de marketing e suporte técnico da Dillinger. Dillinger é um fabricante de chapas de aço pesadas com sede em Dillingen, Alemanha, que fornece construtores TBM. “Eu diria que a parte frontal de uma escavadora de túneis é mais ou menos completamente feita de chapa grossa”, explica ele. "Toda a estrutura é feita de aço, mas também as peças que acionam a escavadora de túneis também são feitas de componentes pesados de chapa de aço."
Hoelbling diz que viu “mudanças graduais nos requisitos” de aços para mandriladoras ao longo dos anos. Essas pequenas mudanças tiveram como objetivo tornar os aços usados para TBMs melhores para soldagem e exibir uma "maior tenacidade".
Os compósitos de carbono fizeram incursões em outras indústrias, mas são de pouca utilidade para máquinas de construção de túneis. Os compósitos de carbono são rejeitados porque “somos muito sensíveis aos custos nesta indústria”, explica Sandell, “e seria um custo proibitivo e, francamente, um desperdício utilizar materiais como estes numa máquina de perfuração de túneis”.
O túnel da Eurásia que passa sob o estreito do Bósforo, em Istambul, foi possível graças à tecnologia TBM
Fazendo o corte
Para as fresas que escavam o solo e a rocha, utiliza-se aço ferramenta. “Na extremidade comercial da máquina, os cortadores de disco são todos feitos de aço”, explica Sandell. "Não encontramos um material melhor com as mesmas propriedades de tenacidade e tolerância a danos em rocha-dura como os cortadores de disco e os construímos com aço ferramenta."
Um disco de corte Robbins começa a vida como aço derretido em um forno elétrico a arco, que então passa por desgaseificação a vácuo e é despejado em lingoteiras pelo fundo enquanto envolto em gás argônio. Os lingotes são usados para forjar para formar os discos de corte. As peças forjadas são então usinadas e tratadas termicamente. De acordo com Sandell, nos primórdios da empresa e, "em máquinas de pequeno diâmetro", os menores cortadores que Robbins fabricava tinham 6,5 polegadas (16,5 centímetros) de diâmetro. Ele acrescenta que na indústria, embora um TBM possa ser descrito em unidades métricas, os cortadores ainda são medidos em polegadas.
"No final da máquina, os cortadores de disco são todos feitos de aço. Não encontramos um material melhor com as mesmas propriedades de resistência e tolerância a danos em rocha-dura."
Tyler Sandell, Robbins
As fresas podem ter até 20 polegadas de diâmetro em mandriladoras grandes. "Para uma perfuradora de túneis de tamanho normal, que consideramos ter mais de três metros de diâmetro, as menores fresas que colocamos nelas têm 14 polegadas", diz Sandell., que acrescenta que as fresas de disco mais comuns são de 17 e 19 polegadas.
A estrutura, as ferramentas de escavação e o funcionamento interno da máquina de escavação de túneis são todos de aço, pois isso fornece a massa de absorção de vibração necessária. Isto também é necessário para evitar que a máquina flutue em determinadas condições, como explica Sandell. "Houve um grande projeto no Japão há alguns anos. Era uma rodovia submarina em Tóquio. Eles tiveram que adicionar muito lastro à máquina de perfuração de túneis porque ela iria flutuar no solo com alto teor de-água, e eles também usaram aço para isso."
Aços de grão fino, aços para ferramentas, forjados e tratamento térmico – de ponta a ponta, o TBM só consegue fazer seu trabalho por causa de um material. A resistência e a massa do aço superam a vibração e a possível flutuação, enquanto sua resistência forma a espinha dorsal dos discos de corte que sofrem imensa tensão física enquanto mastigam duras formações rochosas cristalinas. Foram essas qualidades que ajudaram a realizar grandes projetos que envolvem desafios únicos de engenharia subterrânea em todo o mundo.
