Princípio de Substituição de Cortadores para TBM

1. Fresas resistentes a altas temperaturas

Durante o processo de escavação da TBM (Tunnel Boring Machine), o cortador de disco gera calor por fricção devido ao atrito com a rocha. Isso faz com que sua temperatura interna aumente, resultando em gradientes de temperatura e expansão térmica desigual. A pressão de rolamento contínua do cortador contra a rocha cria tensão e deformação térmicas internas alternadas. Isso muito facilmente leva à fadiga do cortador, causando a fratura do anel do cortador. Ao mesmo tempo, microtrincas geradas na camada superficial do anel do cortador pela tensão e deformação térmicas alternadas também acelerarão o desgaste do anel do cortador. Além disso, à medida que a temperatura aumenta, o desempenho de componentes internos, como rolamentos e vedações, será significativamente afetado. Isso causa uma diminuição na viscosidade do óleo lubrificante, potencialmente levando à falha do lubrificante, reduzindo a capacidade de suporte de carga do cortador e encurtando sua vida útil. A resistência a altas temperaturas dos cortadores resistentes a altas temperaturas depende principalmente das capacidades de alta temperatura das vedações flutuantes internas e dos meios lubrificantes dentro do cortador.

2. Fresas resistentes a alta pressão de água

Com o amplo desenvolvimento do espaço subterrâneo nos últimos anos, as operações de escavação com shield têm aumentado gradualmente, particularmente para túneis subfluviais e submarinos. Atualmente, operações com shield em grandes profundidades e sob altas pressões de água — como o Túnel de Shiziyang, o Túnel da Estrada Sanyang de Wuhan, o Túnel da Baía de Shantou e o Túnel de Mawan — têm apresentado pressões de água máximas superiores a 10 bar. A capacidade diferencial de pressão dos cortadores de disco convencionais é de 3 bar. Ao operar em ambientes de alta pressão de água, cortadores resistentes a altas pressões devem ser utilizados. Os cortadores adequados para ambientes de alta pressão de água exigem principalmente alta estabilidade do desempenho de vedação do cortador sob condições de alta pressão externa para garantir a operação normal. O foco principal é romper com a tecnologia de vedação dos cortadores de disco em ambientes de alta pressão de água.

2.1 Princípio das fresas de disco resistentes a alta pressão de água

Uma cavidade é criada no centro do eixo da cortadora, que se comunica com o interior do cortador de disco. Ao mesmo tempo, um pistão móvel é instalado dentro da cavidade. Quando o cortador de disco opera em um ambiente de alta pressão de água, a pressão interna do cortador é modificada ajustando o volume de ar interno. Isso alcança um equilíbrio dinâmico com a pressão ambiental da face de trabalho de escavação, garantindo a estabilidade operacional da rotação do cortador. De acordo com as propriedades PVT (Pressão-Volume-Temperatura) dos gases, ajustando o volume interno do cortador obtém-se a pressão interna necessária do cortador de disco. Isso garante que o diferencial de pressão entre o interior e o exterior do cortador não exceda o limite da capacidade de diferencial de pressão do vedante. Ao instalar este tipo de cortador de disco, geralmente é necessário que a cavidade interna do cortador seja completamente preenchida com óleo lubrificante.

2.2 Tipos de fresas de disco resistentes a alta pressão de água

Os cortadores de disco de alta pressão de água vêm principalmente em dois tipos: o tipo de pistão móvel e o tipo de bexiga inflável. O tipo de pistão móvel pode atingir uma pressurização interna máxima de 6 bar. Combinado com a capacidade do selo flutuante de suportar uma diferença de pressão segura de 3 bar, este tipo de cortador de disco de alta pressão de água pode atender aos requisitos ambientais de condições de escavação de até 9 bar.

2.3 Tecnologia de abertura de câmara sob pressão em estratos de alta pressão de água e alta permeabilidade

Em túneis de escudo que atravessam rios e mares, quando a máquina de escudo é desligada, ela frequentemente se encontra em estratos complexos com alta pressão de água (>0,5 MPa) e alta permeabilidade (coeficiente de permeabilidade >10⁻² cm/s). Tais estratos não possuem as condições para operações de abertura da câmara em condições atmosféricas. Portanto, é impossível evitar operações de intervenção dentro da câmara sob pressão. A troca de cortadores sob pressão envolve altos riscos, progresso lento e representa sérios perigos à saúde do pessoal. As intervenções na câmara sob pressão podem ser divididas em dois tipos: operações convencionais com ar comprimido e operações de mergulho de saturação sob pressão. O primeiro é adequado para condições com profundidades rasas, pressões relativamente baixas e curta duração de operação. O segundo é adequado para condições com grandes profundidades, altas pressões de ar e longa duração de operação.

2.3.1 Intervenções convencionais em câmara de ar comprimido sob pressão

O Túnel do Rio Yangtzé em Nanquim é um projeto típico inicial na China que adotou a tecnologia convencional de abertura de câmara de ar comprimido e substituição de cortadores sob pressão. Quando o escudo tunelou a uma profundidade de 53,25 m sob o leito do rio, ocorreu desgaste severo na roda de corte e nos cortadores, impossibilitando a escavação contínua. Para garantir a estanqueidade a gás do estrato durante as operações com ar comprimido, o projeto primeiramente permitiu que uma grande quantidade de lama de bentonita pura de baixa densidade e baixa viscosidade penetrasse na face de escavação. Em seguida, a lama dentro da câmara de pressão foi substituída por uma lama mista de bentonita e argila para formar uma torta de lama densa e estanque a gás. Após a formação da torta de lama, o nível de lama foi rebaixado em 3 m e substituído por ar comprimido. Antes da substituição dos cortadores, os operadores entraram na câmara de pessoal para serem pressurizados e, subsequentemente, realizaram o trabalho de substituição dos cortadores dentro da câmara de lama. O tempo efetivo de operação por sessão foi de 45 a 60 minutos, com uma eficiência de trabalho de aproximadamente 50%.

Além disso, a prevenção e o tratamento da doença descompressiva (barotrauma/embolia) entre os operadores em condições pneumáticas é outra questão-chave para esta tecnologia. Uma vez que a substituição do cortador através da abertura da câmara sob pressão exige que os operadores sejam submetidos a um processo de pressurização (geralmente 10–20 min) para cada tarefa, eles também devem ser submetidos a um processo de descompressão (geralmente 2–3 h) dentro da câmara de pessoal antes de sair após concluir a inspeção e substituição da cabeça de corte e do cortador. A submissão frequente a processos de pressurização e descompressão facilmente leva a sintomas de descompressão nos operadores. Portanto, a tecnologia convencional de abertura de câmara com ar comprimido e troca de cortador não é muito adequada para operações de substituição de cortador com uma carga de trabalho grande.

2.3.2 Intervenções em câmara de mergulho de saturação sob pressão

A substituição do cortador através de mergulho de saturação requer equipamentos específicos na máquina de escudo, tais como uma câmara de habitação hiperbárica de saturação e uma eclusa de transferência de pessoal (shuttle). Durante o período de substituição do cortador, os operadores só precisam de passar por um único processo de pressurização. Eles descansam e aguardam na câmara de habitação hiperbárica e realizam o trabalho em frente à face de escavação da roda de corte. Após a conclusão do trabalho, eles igualmente só precisam de passar por um único processo de descompressão para regressar à pressão atmosférica. Portanto, em comparação com a substituição convencional do cortador com ar comprimido, a substituição do cortador por mergulho de saturação é aplicável a estratos com pressões de água e terra mais elevadas. Ao mesmo tempo, elimina a necessidade de múltiplas pressurizações e descompressões, melhorando significativamente a eficiência do trabalho. Ao utilizar o mergulho de saturação para operações de substituição do cortador, um único turno de trabalho pode durar até 6 a 8 horas. A eficiência do trabalho é 8 a 10 vezes superior à das operações convencionais sob pressão. Além disso, a câmara de saturação pode acomodar pessoal durante cerca de 3 semanas, reduzindo eficazmente a probabilidade de contrair doença descompressiva.