Os Principais Fatores Geológicos que Afetam a Eficiência de Escavação de TBM

A resistência à compressão uniaxial (UCS) da rocha é um indicador chave para avaliar a aplicabilidade de Máquinas de Perfuração de Túneis (TBMs) e prever a eficiência de avanço, embora não seja o único fator determinante.

Em projetos de tunelamento com TBM, investigações geológicas abrangentes são essenciais. Estas formam a base para a seleção e projeto científico de equipamentos. Além disso, a fase de construção deve ser apoiada por sistemas robustos de sondagem avançada e estratégias de resposta flexíveis para, em última análise, garantir o avanço seguro e eficiente da TBM.

A resistência à compressão uniaxial da rocha é um dos fatores geológicos críticos que determinam a eficiência da escavação por TBM. Geralmente, as TBMs atingem o desempenho ideal em rocha dura com uma UCS variando de 30 a 150 MPa. Quando a resistência da rocha excede 150 MPa e a massa rochosa está intacta com juntas pouco desenvolvidas, ocorre um declínio significativo na taxa de penetração, acompanhado por uma série de problemas: desgaste exacerbado das ferramentas de corte, vibração anormal da cabeça de corte, desgaste acelerado e até mesmo trincas nas costuras de solda. Essas condições aumentam substancialmente o tempo de inatividade para substituição de ferramentas de corte e manutenção do equipamento. Consequentemente, o impacto deste fator deve ser totalmente considerado durante o planejamento do projeto.

O grau de desenvolvimento de descontinuidades na massa rochosa (incluindo juntas, estratificação, foliação, falhas menores, etc.), ou seja, o grau de fraturamento ou integridade da massa rochosa, é outro fator geológico crucial que influencia a eficiência da escavação por TBM. Mesmo que as rochas apresentem UCS, dureza e abrasividade semelhantes, a taxa de penetração (profundidade de corte por revolução) e a taxa de avanço líquido de uma TBM podem variar significativamente se o grau de desenvolvimento de descontinuidades for diferente.

Parâmetros como o Coeficiente de Integridade da Massa Rochosa (Kv), Contagem Volumétrica de Juntas (Jv) ou Designação de Qualidade da Rocha (RQD) são comumente usados para quantificar o desenvolvimento de descontinuidades. Geralmente, uma taxa de avanço líquido maior é alcançada em massas rochosas com boa integridade e descontinuidades relativamente próximas, pois descontinuidades moderadas facilitam a quebra da rocha e reduzem a resistência ao corte.

No entanto, a situação inverte-se quando a massa rochosa está intensamente fraturada (por exemplo, densidade de juntas extremamente alta resultando num valor Kv inferior a 0,25). Nesses casos, a massa rochosa torna-se fragmentada ou mesmo solta, a sua resistência geral diminui drasticamente e carece de capacidade de autossustentação. Embora os cortadores de TBM possam atingir maior penetração (ou seja, corte mais fácil) em rocha fraturada, o maciço circundante altamente instável é propenso a colapso ou deformação por convergência. Isto exige um investimento de tempo significativo em medidas de suporte temporário (por exemplo, instalação de arcos de aço, projeção de betão, ancoragem de rocha) para garantir a segurança da construção e a estabilidade da parede do túnel. Estas operações de suporte adicionais consomem significativamente o tempo de avanço, levando, em última análise, a uma diminuição da taxa de avanço líquida da TBM nestas secções. Portanto, descontinuidades excessivamente desenvolvidas, embora reduzam a resistência intacta da rocha, tornam-se uma restrição ao avanço eficiente da TBM devido ao aumento drástico da procura por suporte.

A dureza da rocha é um fator crítico que determina sua abrasividade. Geralmente, quanto maior a dureza da rocha, maior sua abrasividade, o que acelera diretamente o desgaste das ferramentas de corte da TBM (Tunnel Boring Machine). Isso resulta em um consumo mais rápido das ferramentas de corte, não apenas aumentando os custos de construção, mas também levando a paradas mais frequentes para substituição das ferramentas, reduzindo assim a taxa de avanço geral.

A abrasividade da rocha é significativamente influenciada pela sua composição mineral, particularmente pelo teor e tamanho de partícula de minerais duros como o quartzo. Um teor mais elevado e um tamanho de partícula maior destes materiais abrasivos levam a um aumento do desgaste do cortador.

Para avaliar objetivamente o potencial de desgaste da rocha, o Teste de Abrasividade CERCHAR é internacionalmente adotado para determinar o Índice de Abrasividade Cerchar (CAI). O valor do CAI tornou-se um indicador importante para quantificar a abrasividade da rocha e prever o seu impacto no desgaste do cortador e na eficiência de avanço da TBM.

Quando o ângulo entre o strike das descontinuidades principais na massa rochosa (por exemplo, juntas, estratificação) e o eixo do túnel é inferior a 45°, combinado com um ângulo de mergulho suave (abaixo de 30°), blocos instáveis em forma de cunha tendem a se formar na rocha circundante acima das "haunches" do túnel e na área da coroa. Essa combinação estrutural desfavorável torna essas cunhas altamente propensas a afrouxamento, queda ou até mesmo colapso em larga escala, o que não só perturba severamente as operações normais da TBM e reduz a eficiência, mas também representa ameaças diretas à segurança do equipamento e do pessoal.

Deve notar-se que um ângulo entre 50-70 graus entre as principais descontinuidades e o eixo do túnel é geralmente o mais propício para alcançar taxas de avanço mais elevadas.

Portanto, a pesquisa precisa pré-construção das orientações das descontinuidades da massa rochosa é crucial para prever e prevenir tais riscos, garantindo uma construção segura e eficiente com TBM.