Este documento descreve um projeto de graduação em engenharia mecânica que envolveu a construção de um protótipo funcional de uma máquina tuneladora (TBM) e uma bancada de escavação. O projeto teve como objetivos projetar e fabricar o protótipo da TBM, simular a escavação na bancada e aplicar cálculos de engenharia para determinar os esforços e fatores de segurança durante a escavação.

1. Fabricação de protótipo miniatura de Tunnel Boring Machine,
Machine, construção de bancada de escavação e cálculo de
cálculo de esforços e fatores de segurança.
Autor: Cesar Affonso de Pinho Pinheiro
Orientador: Prof. Dr. José Geraldo Telles Ribeiro
Data da defesa: 01/12/2016
PROJETO DE GRADUAÇÃO – Engenharia Mecânica

2. Construção de um protótipo miniatura de uma máquina tuneladora
Tunnel Boring Machine (TBM)
O Projeto 2

3. Fabricação de uma bancada de escavação.
O Projeto 3

4. Escavação com TBM em simulação de modo EPB.
O Projeto 4

5. O Projeto
Aplicação dos cálculos de engenharia para determinar os esforços e
coeficientes de segurança aos quais a máquina está submetida
durante a escavação.
http://www.facesupport.org/image/image_gallery?uuid=8b6c03c8-ec3b-4297-b21b-
1bf1ec7025d8&groupId=40416&t=1259932303396
5

6. Objetivos do projeto
• Objetivo físico:
• Projetar e fabricar um protótipo funcional de TBM.
• Objetivo quantitativo:
• Conseguir a interação entre cálculos mecânicos e geotécnicos
• Objetivo qualitativo:
• Regular as velocidades de escavação e avanço para simular escavação real.
• Objetivo intangível:
• Inserir o tema à universidade para incentivar a pesquisa e o trabalho na área.
6

7. Contextualização
• A engenharia da escavação, ao longo da história, vem se mostrando
como um dos mais versáteis e poderosos ramos da engenharia
pesada. Suas técnicas são utilizadas em uma enorme gama de
aplicações, que vão de pequenos túneis rodoviários a longas linhas de
metrô e extensas tubulações adutoras, tais obras trazem grandes
benefícios à população, aliviando o inchaço da malha de transporte e
possibilitando um maior controle dos sistemas de esgoto em cidades
grandes, por exemplo.
7

8. Contextualização
• Um dos aspectos marcantes da engenharia da escavação é a
necessidade de uma perfeita interação entre distintas áreas
tecnológicas, pois devido à alta complexidade desses projetos, torna-
se indispensável, em muitas das vezes, a presença de profissionais
como:
• Engenheiros mecânicos
• Engenheiros civis
• Engenheiros eletricistas
• Engenheiros de detonação
• Geólogos
• Especialistas em logística
• Especialistas em instrumentação e controle
• Especialistas em equipamentos próprios de
escavação (TBMs, Jumbos, etc.)
8

9. Contextualização
• Dentre os principais métodos utilizados mundialmente em obras de
escavação, destaca-se a escavação com Tunnel Boring Machines
(TBM).
http://www.metrolinha4.com.br/wp-content/uploads/2013/01/tatuz%C3%A3o_inteiro.jpg
TBM
9

10. Contextualização - TBM
• Escavar com TBM pode ser considerado o método mais eficiente existente até
hoje, pois consegue produzir túneis de altíssima qualidade em velocidades que
ultrapassam em muito os outros métodos, sem falar na alta aplicabilidade do
método, que se adapta a praticamente qualquer condição de escavação.
• TBMs baseiam-se em uma técnica
desenvolvida em 1825 por Marc Brunel em
Londres, que utiliza um escudo para
proteger os trabalhadores e máquinas do
material ao redor da escavação, enquanto
os mesmos trabalham no mecanismo de
sustentação do túnel.
• Contudo, para escavações em rocha sã,
não há a necessidade de uso de escudo de
escavação.
https://en.wikipedia.org/wiki/Thames_Tunnel
10

11. Contextualização - TBM
• A parte mais importante de um projeto de escavação com TBM é justamente a
escolha do tipo de máquina a se utilizar, tendo em vista que uma máquina mal
escolhida ou má dimensionada pode dificultar em muito a escavação e até
inviabilizá-la.
• Existem diversos tipos e tamanhos de TBMs, suas diferenças se devem
basicamente ao tipo de terreno escavado e à aplicação da escavação (que define
seu tamanho).
• Com relação aos diferentes tamanhos, os TBMs podem ter de 0,4m a 17,4m de
diâmetro e comprimentos que podem ultrapassar 130m.
• Com relação aos tipos, destacam-se os TBMs EPB, Slurry, Single Shield, Double
Shield, Gripper, Partial Face, AVN Pipejack e os VSMs.
11

12. 12

13. Contextualização – TBM EPB
TBM EPB (Earth Pressure Balance)
Utilizado para solos de baixa
granulometria como areia/argilas. A
sigla EPB significa “Earth Pressure
Balance”, ou “Balanço de Pressão
de Solo”, pois nesse modo de
escavação, utiliza-se o próprio
material escavado, aprisionado na
câmara de escavação, para
balancear a pressão da frente de
escavação.
https://www.herrenknecht.com/en/products/core-products/tunnelling/epb-shield.html
13

14. O Protótipo
• O TBM construído durante este projeto, foi inspirado pelo TBM utilizado na obra
da Linha 4 do Metrô do Rio de Janeiro, procurou-se manter o máximo de
semelhança possível, porém, por restrições operacionais (tamanho, peso,
complexidade e disponibilidade de materiais), usou-se mecanismos diferentes
para compor as principais partes do protótipo.
• Dentre as características herdadas do TBM da Linha 4 Sul, a principal delas é o
tipo de TBM escolhido: Um TBM EPB com roda de corte de corte híbrida.
14

15. O Protótipo
• Após a escolha do tipo de TBM, partiu-se para definição do mecanismo e do
terreno de escavação, para isto, foram cogitados duas opções:
• 1) Escavação em Bentonita com retirada por parafuso-sem-fim.
• 2) Escavação em areia com retirada por sucção.
15

16. O Protótipo
• Com o método de escavação já definido, partiu-se para a definição do método de
avanço do TBM e, novamente, duas opções foram cogitadas:
• 1) Avanço por conjunto “engrenagem + cremalheira”.
• 2) Avanço por conjunto “parafuso-sem-fim (barra rosqueada) + porca.
16

17. O Protótipo
• Com os principais mecanismos já definidos, partiu-se para a definição de
todas as outras partes do protótipo.
• Câmara de escavação (Bulk Head)
• Eixo da roda de corte
• 2 Motores iguais
• Boogies
17

18. A bancada de escavação
• Após a definição de todas as peças e mecanismos do TBM, partiu-se para a
definição do modelo da bancada de escavação.
• Tanque cúbico
• Chapa de acrílico
• Chapa bancada
• Estrutura de reação
18

19. A bancada de escavação – Estrutura de reação
• Uma das peças mais importantes para uma
escavação com TBM é a Estrutura de
Reação. A estrutura de reação é uma
estrutura reforçada que possui dimensões
da ordem do diâmetro do TBM e serve de
ponto de partida para os primeiros avanços
da máquina, quando ainda não existe um
número de aduelas (anéis) instaladas no
túnel para garantir resistência suficiente
para o avanço.
https://fbcdn-sphotos-g-a.akamaihd.net/hphotos-ak-ash3/914056_213166025522436_484506443_o.jpg
19

20. A bancada de escavação – Estrutura de reação
• Como o protótipo não possui instalação de anéis de túnel, houve-se a
necessidade de implantar uma estrutura de reação permanente, que seria
acoplada ao mecanismo de avanço da máquina.
• A estrutura conta com uma porca hexagonal para que o parafuso-sem-fim possa
gerar o avanço da máquina durante sua rotação.
20

21. O modelo final 21

22. A fabricação
• O protótipo foi fabricado em uma oficina industrial especializada em
manutenção dos discos de corte do TBM da Linha 4 Sul.
• Grande parte dos materiais utilizados neste projeto foram fornecidos pela Linha
4 Sul, sendo alguns deles provenientes do próprio TBM S-769 (Utilizado na obra).
22

23. A fabricação - Shield
• Tubo Alvenius 8” Galvanizado de
costura helicoidal.
• Remoção da faixa de encaixe e
limpeza do tubo.
23

24. A fabricação – Bulk Head
• Cortado da chapa de aço 1020 de
6mm de espessura.
• Abertura dos furos do eixo e do
bocal de sucção.
24

25. A fabricação – Roda de corte
• Cortado da chapa de aço 1020 de
6mm de espessura.
• Foram traçados os sulcos da roda
para guiar o corte com maçarico.
• 200mm de diâmetro.
25

26. A fabricação – Roda de corte
• Abertura de 24 furos guia.
• Foram traçados os sulcos da roda
para guiar o corte com maçarico.
• Corte dos sulcos da roda.
26

27. A fabricação – Roda de corte
• Limagem dos sulcos da Roda de
corte.
27

28. A fabricação – Roda de corte
• Criação das ferramentas de corte.
• 40 semiesferas de 10mm de
diâmetro.
• Simulam os discos de corte e os
Rippers.
• Possuem somente função estética.
28

29. A fabricação – Roda de corte
• Acabamento no torno.
• Abertura do furo do eixo.
29

30. A fabricação – Roda de corte
• Corte dos raspadores
• 58mmx12mmx3mm
• Instalação dos 8 raspadores.
30

31. A fabricação – Eixo da roda de corte
• Corte do eixo da roda de corte.
• 285mm de comprimento
• 12mm de diâmetro
31

32. A fabricação – Chapa do Back-up
• Corte da chapa 395mm x 170mm x 6mm.
• Abertura dos furos dos motores e parafusos e cortes laterais.
32

33. A fabricação – Boogies
• Corte das duas “vigas” laterais dos Boogies (200m x 36mm x 10mm).
• Abertura do furos do eixo dos Boogies.
• Corte do eixo dos Boogies (12mm de diâmetro x 220mm de comprimento).
33

34. A fabricação – Acoplamentos dos motores
• Corte de duas peças de 50mm de comprimento em um tarugo de 19mm de
diâmetro.
• Abertura dos furos dos eixos no torno mecânico
34

35. A fabricação – Caixa de controle
• Necessidade de controle das velocidades dos
motores.
• Retificação da corrente elétrica (Motores
AOMPI40).
• Caixa metálica + chapa de acrílico +
2 Dimmers + Ponte retificadora
35

36. A fabricação – Ligação elétrica 36

37. Montagem do TBM – Shield e Bulk Head
• Soldagem do Bulk Head no Shield
• Afastamento de 15mm por semelhança ao
TBM da Linha 4 Sul.
37

38. Montagem do TBM – Roda de corte e seu eixo
• Inserção do eixo no furo da roda de corte.
• Soldagem circular pelas partes traseira e
dianteira da roda.
38

39. Montagem do TBM – Shield completo
• Junção dos conjuntos “Shield + Bulk Head” e
“Roda de corte + Eixo da roda”.
• Nesse passo, não se aplicou nenhum processo
de fixação de peças pois o eixo deve estar
livre para girar.
39

40. Montagem do TBM – Chapa do Back-up
• Soldagem da chapa ao Shield.
• Altura compatível com a concentricidade dos
eixos dos motores, da roda e do parafuso-
sem-fim.
40

41. Montagem do TBM – Boogies
• Encaixe do eixo nas vigas e dos rolamentos
no eixo.
• Soldagem das vigas na chapa do Back-up.
41

42. Montagem do TBM – Detalhes finais
• Furação dos acoplamentos para passagem dos
pinos.
• Instalação dos motores e acoplamento do
eixo e do parafuso-sem-fim.
• Posicionamento da caixa de controle.
• Instalação da válvula e das mangueiras do
mecanismo de sucção.
• Acoplamento do aspirador de pó.
• FIM DA MONTAGEM DO TBM.
42

43. Bancada de escavação – Chapas de aço
• Corte das chapas do tanque e da chapa
bancada.
43

44. Bancada de escavação – Parede direita
• Soldagem das alças (Anel de segurança).
• Abertura do furo para a entrada do TBM.
44

45. Bancada de escavação – Montagem do tanque
• Soldagem das 3 paredes na chapa base.
• Corte da chapa de acrílico.
• Soldagem das cantoneiras e
posicionamento da chapa de acrílico.
45

46. Bancada de escavação – Chapa bancada
• Corte e soldagem da chapa bancada ao tanque.
46

47. Bancada de escavação – Estrutura de reação
• Corte da chapa central da estrutura de reação.
• Furação para passagem do parafuso-sem-fim.
• Soldagem da porca do mecanismo de avanço.
47

48. Bancada de escavação – Estrutura de reação
• Corte das chapas triangulares.
• Soldagem das 3 chapas da estrutura de reação.
48

49. Bancada de escavação – Estrutura de reação
• Soldagem da estrutura de reação à chapa bancada.
49

50. Bancada de escavação – Instalação do TBM
• Instalação do TBM.
• FABRICAÇÃO CONCLUÍDA.
50

51. Cálculos do projeto – Fontes e objetivos
• Cálculos:
• Específicos – Estudo sobre TBM (Robert Godinez – Colorado School of Mines).
• Geológicos – Estudo sobre a areia de Ipanema (Felipe Bogossian – UFRJ).
• Mecânicos – Livro “Projeto de Engenharia Mecânica” de Joseph E. Shigley.
• Objetivos:
• Torques da roda de corte.
• Forças de avanço e atrito.
• Tensões atuantes no projeto.
• Coeficientes de segurança.
51

52. Cálculos do projeto – Percentual de vazios (η)
• η é o percentual de vazios na roda de corte.
• η = 0,3877
52

53. Cálculos do projeto – Coeficiente de atrito
• μ é o coeficiente de atrito entre a areia e o aço.
• μ é constante em todo o projeto e vale 0.3.
53

54. Cálculos do projeto – Pressão efetiva de
escavação ( s’)
• A pressão efetiva de escavação refere-se ao somatório das pressões de solo que
atuam no TBM durante a escavação.
• Em uma situação real, é levada em consideração a pressão exercida pelo lençol
freático, porém não há que se falar nesta neste projeto.
• Neste projeto, a pressão efetiva de escavação ( s’) é resultado da soma da pressão
passiva do solo (EPp), com a pressão de arraste (Pat) gerada pelo avanço da máquina
no solo.
• s’ = EPp + Pat
54

55. Cálculos do projeto – Cálculo de s’
• s’ = EPp + Pat
• Pressão passiva do solo (EPp) é toda pressão gerada pelo solo aplicada a uma
superfície que se move em direção a ele.
• EPp = γAreia . H . Kp
• γAreia = 26.084,79 N/m³
• H = 0,3 m
• Kp = Coeficiente de empuxo
passivo do solo
http://www.ufjf.br/nugeo/files/2009/11/ms2_unid06.pdf
55

56. Cálculos do projeto – Cálculo de s’
• Kp = tan2 45 +
φ
2
• φ é o ângulo de atrito interno do solo e vale
29,5° (retirado do estudo de referência).
• Kp = 2,94
• EPp = 23.006,78 Pa
http://www.rc.unesp.br/igce/aplicada/ead/imagens/interacao/anglimite.gif
56

57. Cálculos do projeto – Cálculo de s’
• Pat = 𝐹 𝑎𝑡
Á𝑟𝑒𝑎 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑎 𝑟𝑜𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒
• 𝐹𝑎𝑡 = 𝜇 . 𝑃𝑎𝑟𝑒𝑖𝑎 + 𝜇 . (𝑃𝑎𝑟𝑒𝑖𝑎 + 𝑃𝑠ℎ𝑖𝑒𝑙𝑑)
• 𝑃𝑠ℎ𝑖𝑒𝑙𝑑 = 60 N
• 𝑃𝑎𝑟𝑒𝑖𝑎 = 312 N
• 𝐹𝑎𝑡 = 205.2 N
• Pat = 6.532 Pa
• s’ = 29.538,5 Pa
57

58. Cálculos do projeto – Torques da literatura 58

59. Cálculos do projeto – Torques do projeto
• Já que μ é universal no projeto, temos que T1 é igual a T3.
• T5 foi desprezado por oferecer um valor muito pequeno.
• T2 foi dividido em T2cw e T2eixo.
• T6 é o torque resultante do arraste dos 8 raspadores.
• Portanto, temos:
TEPB = 2.T1 + T2CW + T2Eixo + T6
59

60. Cálculos do projeto – T1, T2CW e T2Eixo
T1 = 11,364 N. m T2Eixo = 0,04 N. m
T2CW = 3,34 N. m
60

61. Cálculos do projeto – T6
T6 = 1,334 N. m
61

62. Cálculos do projeto – TEPB
• T1 = 11,364 N.m
• T2CW = 3,34 N.m
• T2Eixo = 0,04 N.m
• T6 = 1,334 N.m
TEPB = 2.T1 + T2CW + T2Eixo + T6 = 27,443 N.m
62

63. Cálculos do projeto – Torque máximo do motor 1
• Rotação de trabalho = 20 rpm = 2,1 rad/s
• Potência máxima do motor = 100 W
• Potência = Torque x Velocidade angular
• Torque máximo do motor 1 = Tmax1 = 47,755 N.m
63

64. Cálculos do projeto – CS de operação do motor 1
𝐶𝑆 𝑚1 =
𝑇 𝑚𝑎𝑥1
𝑇𝐸𝑃𝐵
𝐶𝑆 𝑚1 = 1,74
64

65. Cálculos do projeto – Forças da terra e de avanço
• Força da areia (Fareia) = Pressão da terra (EPp) x Área frontal do TBM
• Fareia = 722,78 N
• Força de avanço (Favanço) = Fareia + Fat
• Favanço = 928 N
65

66. Cálculos do projeto – Tensões no eixo da CW
Tensão normal de compressão Tensão cisalhante de torção
66

67. Cálculos do projeto – CSs do eixo da CW
• Tensão normal de escoamento do aço SAE 1020 = σesc = 210 MPa
• Tensão cisalhante de escoamento do aço SAE 1020 = σesc . 0,577 = 121,17 MPa
67

68. Cálculos do projeto – Flambagem do eixo da CW 68

69. Cálculos do projeto – Flambagem do eixo da CW 69

70. Cálculos do projeto – Torque máximo do motor 2
• Rotação de trabalho = 15 rpm = 1,57 rad/s
• Potência máxima do motor = 100 W
• Potência = Torque x Velocidade angular
• Torque máximo do motor 2 = Tmax2 = 63,66 N.m
70

71. Cálculos do projeto – Forças no parafuso-sem-fim
• Ângulo de rosca = θ = 4,89°
71

72. Cálculos do projeto – CS de operação do motor 2 72

73. Cálculos do projeto – Tensões no parafuso-sem-fim
Tensão normal de compressão Tensão cisalhante de torção
73

74. Cálculos do projeto – CSs do eixo da CW
• Tensão normal de escoamento do aço SAE 1020 = σesc = 210 MPa
• Tensão cisalhante de escoamento do aço SAE 1020 = σesc . 0,577 = 121,17 MPa
74

75. Conclusões qualitativas
• Resultados bastante satisfatórios.
• Interação fluida entre os conceitos de Geotecnia e Engenharia Mecânica.
• Conclusão do desafio da complicada fabricação.
• Todos os mecanismos escolhidos trabalharam perfeitamente durante a escavação.
• Encontro do ponto ótimo de escavação.
75

76. Conclusões quantitativas
• Mecanismo de avanço altamente superdimensionado (Menor CS=30).
• Eixo da CW totalmente salvo de tensões de compressão e flambagem.
• CS de operação do motor 1, seguro porém baixo (1,74).
• CS de torção do eixo da CW, seguro porém baixo (1,5).
76

77. Limitações observadas
• Capacidade do aspirador.
• Diâmetro interno da válvula esfera do mecanismo de retirada de material.
77

78. OBRIGADO PELA PRESÊNÇA
DE TODOS!
Vamos à demonstração da escavação!