UM CONCEITO DE TUNELADORA COM JATO DE ÁGUA E FIO DIAMANTADO COMO PRINCÍPIO DE CORTE DE ROCHAS BRANDAS
As tuneladoras são amplamente utilizadas em obras ao redor do mundo
e mostram-se excelentes escolhas para túneis urbanos ou com grande cobrimento,
além de ser a melhor opção para túneis em rocha com comprimento superior a 1,5
km. Tais equipamentos têm a sua origem no conceito proposto por Brunnel no século
dezoito e evoluíram até o conceito proposto por Robbins na década de cinqüenta do
século passado. Com exceção dos desenvolvimentos das tuneladoras DOT e DPLEX,
desde então não foi introduzida nenhuma inovação radical no principio de corte desses
equipamentos. Em face da obvia oportunidade de inovação e dos desafios por maior
eficiência, há a necessidade do desenvolvimento de uma nova família de tuneladoras
que renegue grandes dimensões, pesos enormes e alta potência de funcionamento
como características principais. Esse novo jeito de construir tuneladoras exige a quebra
dos tradicionais paradigmas que conduzem o processo a mais de setenta anos. Uma
alternativa é a procura de tecnologias alternativas capazes de transferir energia sem
contato mecânico com o maciço rochoso. Diversas opções têm sido estudas. Elas
são classificadas em métodos químicos, por lascamento térmico, por vaporização (ou
fusão) e métodos mecânicos. Enquanto os métodos químicos sofrem com problemas
ambientais e de segurança, os métodos de vaporização e lascamento térmico tornamse inviáveis devido ao alto consumo energético. Uma exceção é a tecnologia de jato
de água de alta potência. Apesar de ser utilizada para escavações desde o século
dezoito, foi somente nos anos setenta que o jato de água tornou-se parte integrante de
equipamentos de escavação de alta complexidade. Atualmente a tecnologia de corte
de rocha por jato de água é considerada de baixo impacto ambiental e promissora para
aplicações em engenharia civil e de minas. Um importante inconveniente, entretanto,
é a alta demanda energética. Apesar de não tão alta como a demanda dos processos
que envolvem introdução de calor, ela pode ser 10 ou 100 vezes superior a energia
demandada pelos tradicionais discos de corte. Uma solução para esse problema é
combinar jato de água e fio diamantado como princípio de corte. A combinação de
ambas as tecnologias já se mostrou a mais adequada em relação à demanda energética
na lavra de rochas ornamentais quando comparada com outras opções. Além disso,
a utilização de jato de água e fio diamantado já se mostrou viável em escavações
de perfil fechado. Aspectos comerciais da introdução de uma nova tecnologia devem
ser considerados também. O modelo de negócio adotado pelas fabricantes exige a
constante substituição de peças como os discos de corte. Tais componentes, além da
assistência técnica, têm o custo muito alto ao final da obra e geralmente ultrapassam
o valor de aquisição do próprio equipamento. Outra característica é que o número
reduzido de fabricantes (geralmente localizados nos EUA, Europa ocidental e Ásia)
dificulta a livre concorrência. Dessa forma a introdução de novas tecnologias exigirá
Um conceito de tuneladora com jato de água e fio diamantado como princípio de corte de rochas brandas 2
que esse mercado já consolidado comporte-se de maneira diferente. Esse trabalho
visa aproveitar justamente essa oportunidade propondo uma tuneladora que utiliza
jato de água de grande potência combinado com estações de corte de fio diamantado
em uma cabeça de corte em dois estágios. O processo de desenvolvimento, baseado
no método de desenvolvimento de produto PRODIP, permitiu a a concepção de uma
máquina mais leve, menor e mais barata, além de um inovador ciclo operacional.
Uma estimativa teórica do desempenho (taxa de avanço e custo operacional primário)
também é abordada. Enquanto a taxa de avanço mostrou-se bastante animadora
para rochas brandas, mostrou-se insuficiente para rochas duras. Já os custos foram
superiores em ambas as análises, porém relativamente competitivos para rochas
brandas.
UM CONCEITO DE TUNELADORA COM JATO DE ÁGUA E FIO DIAMANTADO COMO PRINCÍPIO DE CORTE DE ROCHAS BRANDAS
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DOI: 10.22533/at.ed.203190204
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Palavras-chave: 1. Engenharia civil (Geotécnica).
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Keywords: Tunnel boring machine. Water jet. Diamond wire.
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Abstract:
Tunnel boring machines are widely used around the world and they are a
good choice for urban tunnels or high cover, besides to be the best option for rock tunnel
with length over 1.5 km. These equipments have their origins in the eighteen century
with Brunnel’s concept and evolved till Robbins’s concept, with better advanced rate
and reliability. With the exception of development of DOT and DPLEX machine in Asia,
no more radical innovation in operation principle has been introduced in this sector.
Facing the obvious opportunity for innovation and the challenge of more efficiency, there
is the necessity of a new family of TBMs which denies the great power, components
with large dimensions and excessive weights as its main characteristics. This new
way to build TBMs requires the paradigms break that has been followed for more than
seventy years. One alternative is looking for exotic technologies capable of transferring
energy from the machine to the rock without mechanical contact. Several options has
been studied. They were classified as chemical reaction, thermal spalling, fusion (or
vaporization) and mechanical rock cutting methods. While chemical reaction methods
suffers with safety and environment problems, fusion and thermal spalling methods
have high energy demand which became unpromising alternatives. One exception is
the high power water jet technology (WJ). Although it is used for excavation propose
since the eighteenth century, only in seventy year that water jet has began to be used
as assistant rock breaking technology in more complex application. Nowadays the high
power water jet technology can be considered as a promising an environmental friendly
technology for mining and engineering applications. However important drawback is
energy demand which is higher than other mechanical methods. It is possible to say
that water jet demands 10 or 100 more energy to break rock than disc cutter. The
combination, however, of water jet with diamond wire is a possibility of minimizing this
problem. The combination of water jet with diamond wire is the best energy demand
combination for quarries if compared with others traditional alternatives. In the same
way it is possible to say that the high pressure water jet cutting system combined with
the other traditional environment friendly technologies like diamond wire, drilling and
scratches expansion devices, allows the execution of vertical and horizontal cuts in
continuous cycle. Commercial aspect should be noted too. The tunnel boring industry
Um conceito de tuneladora com jato de água e fio diamantado como princípio de corte de rochas brandas 3
is dominated by just a few companies originated in USA, Western Europe and Asia.
The model business adopted by this industry requires constant replacements of cutter
disc and specific labor skills, usually offered by the same manufacturer company. In
some cases the cost of replacement parts and technical assistance can be higher
than acquisition. The Introduction of new technologies requires a new behavior of this
addicted market. These works handled with this opportunity, describing a new concept
of tunnel boring machine which mix water jet and diamond wire in a two stage cutting
face capable of executing non circular tunnels with high advanced rate and competitive
costs. The simple design together with lighter and smaller parts reduces the acquisition
cost. The introduction of new players in the market can have a positive effect too. A
new and innovated operational cycle and design specification were elaborated and
are described. Geometrical characteristic and a performance analysis (advanced rate
and primary excavation cost) are parts of this text too. With high advanced rate and
reasonable primary excavation cost, the new concept can be considered an alternative
for tunnels in soft rock and high porosity. However, for hard rock with low porosity the
increase of water jet performance is necessary.
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Número de páginas: 98
- Lidiani Cristina Pierri
- Jair José dos Passos Junior
- Marcos Aurélio Marques Noronha
- Rafael Pacheco dos Santos
