A seguir
Em sua forma mais básica, uma túnel é um tubo escavado no solo ou na pedra. Construindo um túnel, Contudo, é um dos desafios mais complexos no campo da engenharia civil. Muitos túneis são considerados obras-primas tecnológicas e os governos homenagearam os engenheiros de túneis como heróis. Isso não quer dizer, claro, que alguns projetos de túneis não encontraram grandes contratempos. O Projeto Artéria Central / Túnel (a "Big Dig") em Boston, Massachusetts foi atormentado por enormes estouros de custos, alegações de corrupção, e um colapso parcial do teto que resultou em uma fatalidade. Mas esses desafios não impediram os engenheiros de sonhar com ideias ainda maiores e mais ousadas, como a construção de um túnel transatlântico para conectar Nova York a Londres.
Neste artigo, vamos explorar o que torna os túneis uma solução tão atraente para ferrovias, estradas, serviços públicos e telecomunicações. Veremos as características definidoras dos túneis e examinaremos como os túneis são construídos. Também examinaremos a "Big Dig" em detalhes para entender as oportunidades e desafios inerentes à construção de um túnel. Finalmente, vamos olhar para o futuro dos túneis.
Galeria de imagens do túnel
Fundamentos do túnel
Um túnel é uma passagem horizontal localizada no subsolo. Enquanto a erosão e outras forças da natureza podem formar túneis, neste artigo, falaremos sobre túneis feitos pelo homem - túneis criados pelo processo de escavação. Existem muitas maneiras diferentes de escavar um túnel, incluindo trabalho manual, explosivos, aquecimento e resfriamento rápido, tunelamento de máquinas ou uma combinação desses métodos.
Algumas estruturas podem exigir escavação semelhante à escavação do túnel, mas não são realmente túneis. Veios , por exemplo, são freqüentemente cavados à mão ou com equipamento de perfuração. Mas, ao contrário dos túneis, os eixos são verticais e mais curtos. Muitas vezes, poços são construídos como parte de um projeto de túnel para analisar a rocha ou solo, ou na construção de túneis para fornecer rumos, ou locais, a partir do qual um túnel pode ser escavado.
O diagrama abaixo mostra a relação entre essas estruturas subterrâneas em um típico túnel de montanha. A abertura do túnel é um portal . O "telhado" do túnel, ou a metade superior do tubo, é o coroa . A metade inferior é o invertido . A geometria básica do túnel é um arco contínuo . Como os túneis devem suportar uma tremenda pressão de todos os lados, o arco tem uma forma ideal. No caso de um túnel, o arco simplesmente dá a volta completa.
Engenheiros de túnel, como engenheiros de ponte, deve estar preocupado com uma área da física conhecida como estática . A estática descreve como as seguintes forças interagem para produzir equilíbrio em estruturas como túneis e pontes:
Para permanecer estático, os túneis devem ser capazes de suportar as cargas colocadas sobre eles. Carga morta refere-se ao peso da própria estrutura, enquanto carga viva refere-se ao peso dos veículos e pessoas que se movem no túnel.
Veremos os tipos básicos de túneis a seguir.
Conteúdo
Existem três grandes categorias de túneis:mineração, obras públicas e transporte. Vamos examinar rapidamente cada tipo.
Túneis de mina são usados durante a extração de minério, permitindo que trabalhadores ou equipamentos acessem depósitos minerais e metálicos nas profundezas da terra. Esses túneis são feitos usando técnicas semelhantes a outros tipos de túneis, mas custam menos para construir. Os túneis da mina não são tão seguros quanto os túneis projetados para ocupação permanente, Contudo.
Túneis de obras públicas carregue água, esgoto ou linhas de gás em grandes distâncias. Os primeiros túneis foram usados para transportar água para, e esgoto longe de, regiões densamente povoadas. Os engenheiros romanos usaram uma extensa rede de túneis para ajudar a transportar água das fontes nas montanhas para as cidades e vilas. Esses túneis faziam parte de sistemas de aquedutos, que também compreendia câmaras subterrâneas e estruturas inclinadas em forma de ponte apoiadas por uma série de arcos. Em 97 DC, nove aquedutos transportavam aproximadamente 85 milhões de galões de água por dia das fontes nas montanhas até a cidade de Roma.
Antes havia trens e carros, havia túneis de transporte tal como canais - vias navegáveis artificiais usadas para viagens, transporte ou irrigação. Assim como ferrovias e rodovias hoje, canais geralmente correm acima do solo, mas muitos túneis necessários para passar com eficiência por um obstáculo, como uma montanha. A construção do canal inspirou alguns dos primeiros túneis do mundo.
O Canal Subterrâneo, localizado no condado de Lancashire e Manchester, Inglaterra, foi construído de meados ao final de 1700 e inclui quilômetros de túneis para abrigar os canais subterrâneos. Um dos primeiros túneis da América foi o Paw Paw Tunnel, construído na Virgínia Ocidental entre 1836 e 1850 como parte do Canal de Chesapeake e Ohio. Embora o canal não passe mais pelo Paw Paw, às 3, Com 38 metros de comprimento, ainda é um dos maiores túneis de canal dos Estados Unidos.
No século 20, trens e carros substituíram os canais como principal meio de transporte, levando à construção de maiores, túneis mais longos. O túnel Holland, concluído em 1927, foi um dos primeiros túneis rodoviários e ainda é um dos maiores projetos de engenharia do mundo. Nomeado em homenagem ao engenheiro que supervisionou a construção, o túnel inaugura quase 100, 000 veículos diários entre a cidade de Nova York e Nova Jersey.
A construção do túnel exige muito planejamento. Exploraremos o porquê na próxima seção.
Quase todo túnel é uma solução para um desafio ou problema específico. Em muitos casos, esse desafio é um obstáculo que uma rodovia ou ferrovia deve contornar. Eles podem ser corpos d'água, montanhas ou outras rotas de transporte. Mesmo cidades, com pouco espaço aberto disponível para novas construções, pode ser um obstáculo que os engenheiros precisam fazer um túnel para evitar.
No caso do Holland Tunnel, o desafio era um sistema de balsa obsoleto que se esforçava para transportar mais de 20, 000 veículos por dia no rio Hudson. Para funcionários da cidade de Nova York, a solução era clara:construir um túnel de automóvel sob o rio e permitir que os passageiros se dirijam de Nova Jersey para a cidade. O túnel teve um impacto imediato. Só no dia da inauguração, 51, 694 veículos fizeram a travessia, com um tempo médio de viagem de apenas 8 minutos.
As vezes, os túneis oferecem uma solução mais segura do que outras estruturas. O túnel Seikan no Japão foi construído porque as balsas que cruzavam o estreito de Tsugaru freqüentemente encontravam águas e condições climáticas perigosas. Depois que um tufão afundou cinco balsas em 1954, o governo japonês considerou uma variedade de soluções. Eles decidiram que qualquer ponte segura o suficiente para suportar as condições severas seria muito difícil de construir. Finalmente, eles propuseram um túnel ferroviário correndo quase 250 metros abaixo da superfície do mar. Dez anos depois, construção começou, e em 1988, o túnel Seikan foi inaugurado oficialmente.
A maneira como um túnel é construído depende muito do material por onde ele deve passar. Túnel através de solo macio, por exemplo, requer técnicas muito diferentes do que cavar túneis através de rocha dura ou rocha macia, como xisto, giz ou arenito. Túneis subaquáticos, o mais desafiador de todos os ambientes, exige uma abordagem única que seria impossível ou impraticável de implementar acima do solo.
É por isso que o planejamento é tão importante para um projeto de túnel bem-sucedido. Os engenheiros conduzem uma análise geológica completa para determinar o tipo de material que eles irão escavar e avaliar os riscos relativos de diferentes locais. Eles consideram muitos fatores, mas alguns dos mais importantes incluem:
Muitas vezes, um único túnel passará por mais de um tipo de material ou encontrará vários perigos. Um bom planejamento permite que os engenheiros planejem essas variações desde o início, diminuindo a probabilidade de um atraso inesperado no meio do projeto.
Depois que os engenheiros analisaram o material pelo qual o túnel passará e desenvolveram um plano geral de escavação, a construção pode começar. O termo dos engenheiros de túnel para a construção de um túnel é dirigindo , e o avanço da passagem pode ser longo, processo tedioso que requer detonação, chato e cavando com a mão.
Na próxima seção, veremos como os trabalhadores dirigem túneis em solo macio e rocha dura.
Os trabalhadores geralmente usam duas técnicas básicas para avançar um túnel. No método de rosto inteiro , eles escavam todo o diâmetro do túnel ao mesmo tempo. Isso é mais adequado para túneis que passam por terreno forte ou para a construção de túneis menores. A segunda técnica, mostrado no diagrama abaixo, é o método de topo e bancada . Nesta técnica, trabalhadores cavam um túnel menor conhecido como cabeçalho . Uma vez que o título superior avançou alguma distância na rocha, os trabalhadores começam a escavar imediatamente abaixo do piso do cabeçalho superior; isto é um banco de sentar . Uma vantagem do método de topo e bancada é que os engenheiros podem usar o túnel de proa para medir a estabilidade da rocha antes de prosseguir com o projeto.
Observe que o diagrama mostra o tunelamento ocorrendo de ambos os lados. Túneis através de montanhas ou debaixo d'água são geralmente trabalhados a partir das duas extremidades opostas, ou rostos , da passagem. Em longos túneis, poços verticais podem ser cavados em intervalos para escavar de mais de dois pontos.
Agora vamos olhar mais especificamente como os túneis são escavados em cada um dos quatro ambientes principais:solo macio, Rochedo duro, rocha macia e subaquática.
Solo macio (terra)
Os trabalhadores cavam túneis de solo macio através da argila, lodo, areia, cascalho ou lama. Neste tipo de túnel, tempo de pé - quanto tempo o solo permanecerá com segurança por si mesmo no ponto de escavação - é de extrema importância. Como o tempo de suporte é geralmente curto durante a escavação de um túnel em solo macio, desmoronamentos são uma ameaça constante. Para evitar que isso aconteça, engenheiros usam uma peça especial de equipamento chamada escudo . Um escudo é um cilindro de ferro ou aço literalmente empurrado para o solo macio. Ele escava um buraco perfeitamente redondo e apóia a terra ao redor enquanto os trabalhadores removem os detritos e instalam um revestimento permanente feito de ferro fundido ou concreto pré-moldado. Quando os trabalhadores completam uma seção, os macacos empurram o escudo para a frente e repetem o processo.
Marc Isambard Brunel, um engenheiro francês, inventou o primeiro escudo de túnel em 1825 para escavar o Túnel do Tamisa em Londres, Inglaterra. A blindagem de Brunel compreendia 12 quadros conectados, protegido na parte superior e nas laterais por placas pesadas chamadas aduelas . Ele dividiu cada quadro em três áreas de trabalho, ou células , onde os escavadores poderiam trabalhar com segurança. Uma parede de madeira curta, ou pranchas de peito , separou cada célula da face do túnel. Um escavador removeria uma tábua de corte, esculpa três ou dez centímetros de argila e recoloque a placa. Quando todos os escavadores em todas as células concluíram este processo em uma seção, poderosos macacos de parafuso empurraram o escudo para a frente.
Em 1874, Peter M. Barlow e James Henry Greathead aprimoraram o projeto de Brunel construindo um escudo circular forrado com segmentos de ferro fundido. Eles primeiro usaram o escudo recém-projetado para escavar um segundo túnel sob o Tâmisa para o tráfego de pedestres. Então, em 1874, o escudo foi usado para ajudar a escavar o metrô de Londres, o primeiro metrô do mundo. A Greathead refinou ainda mais o design do escudo adicionando pressão de ar comprimido dentro do túnel. Quando a pressão do ar dentro do túnel excedeu a pressão da água do lado de fora, a água permaneceu fora. Breve, engenheiros em Nova York, Boston, Budapeste e Paris adotaram o escudo Greathead para construir seus próprios metrôs.
Rochedo duro
Túnel através de rocha dura quase sempre envolve detonação. Os trabalhadores usam um andaime, chamado de jumbo , para colocar explosivos com rapidez e segurança. O jumbo se move para a face do túnel, e brocas montadas no jumbo fazem vários orifícios na rocha. A profundidade dos furos pode variar dependendo do tipo de rocha, mas um buraco típico tem cerca de 3 metros de profundidade e apenas alguns centímetros de diâmetro. Próximo, trabalhadores colocam explosivos nos buracos, evacue o túnel e detone as cargas. Depois de aspirar os gases nocivos criados durante a explosão, os trabalhadores podem entrar e começar a retirar os destroços, conhecido como sujeira , usando carrinhos. Em seguida, eles repetem o processo, que avança o túnel lentamente através da rocha.
Atear fogo é uma alternativa para detonar. Nesta técnica, a parede do túnel é aquecida com fogo, e depois resfriado com água. A rápida expansão e contração causadas pela mudança repentina de temperatura faz com que grandes pedaços de rocha se quebrem. A Cloaca Máxima, um dos túneis de esgoto mais antigos de Roma, foi construído usando esta técnica.
O tempo de resistência para sólidos, rochas muito duras podem medir em séculos. Neste ambiente, pode não ser necessário suporte extra para o teto e as paredes do túnel. Contudo, a maioria dos túneis passa através da rocha que contém quebras ou bolsas de rocha fraturada, então os engenheiros devem adicionar suporte adicional na forma de parafusos, concreto projetado ou anéis de vigas de aço. Na maioria dos casos, eles adicionam um forro de concreto permanente.
A seguir, veremos o túnel que atravessa rocha macia e sob a água.
Túnel através de rocha macia e túneis subterrâneos requerem abordagens diferentes. Explodindo em soft, rocha firme, como xisto ou calcário, é difícil de controlar. Em vez de, engenheiros usam máquinas de perfuração de túneis (TBMs) , ou toupeiras , para criar o túnel. TBMs são enormes, equipamentos multimilionários com uma placa circular em uma das extremidades. A placa circular é coberta com cortadores de disco - dentes cortantes em forma de cinzel, discos de aço ou uma combinação dos dois. Conforme a placa circular gira lentamente, os cortadores de disco cortam a rocha, que cai através de espaços na cabeça de corte em um sistema de transporte. O sistema de transporte carrega a sujeira para a parte traseira da máquina. Cilindros hidráulicos presos à coluna do TBM o impulsionam alguns metros de cada vez.
Os TBMs não apenas perfuram os túneis - eles também fornecem suporte. Conforme a máquina escava, duas brocas logo atrás dos cortadores perfuram a rocha. Em seguida, os trabalhadores colocam argamassa nos orifícios e fixam parafusos para segurar tudo no lugar até que o revestimento permanente possa ser instalado. O TBM consegue isso com um braço eretor maciço que levanta segmentos do revestimento do túnel no lugar.
Embaixo da agua
Túneis construídos no fundo dos rios, baías e outros corpos d'água usam o método de cortar e cobrir , que envolve a imersão de um tubo em uma vala e sua cobertura com material para mantê-lo no lugar.
A construção começa com a dragagem de uma trincheira no leito do rio ou no fundo do oceano. Grande, seções de tubo pré-fabricadas, feito de aço ou concreto e vedado para impedir a entrada de água, são flutuados até o local e afundados na trincheira preparada. Em seguida, os mergulhadores conectam as seções e removem os selos. Qualquer excesso de água é bombeado para fora, e todo o túnel é coberto com preenchimento.
O túnel que conecta a Inglaterra e a França - conhecido como Túnel do Canal, o Euro Tunnel ou Chunnel - passa por baixo do Canal da Mancha por 32 milhas de mata, terra calcária. Embora seja um dos túneis mais longos do mundo, levou apenas três anos para escavar, graças aos TBMs de última geração. Onze dessas máquinas enormes mastigaram o fundo do mar que fica abaixo do Canal. Por que tantos? Como o canal na verdade consiste em três tubos paralelos, dois que transportam trens e um que atua como um túnel de serviço. Dois TBMs colocados em extremidades opostas do túnel cavaram cada um desses tubos. Em essência, os três TBMs britânicos competiram contra os três TBMs franceses para ver quem chegaria ao meio primeiro. Os cinco TBMs restantes trabalharam no interior, criando a parte do túnel que fica entre os portais e suas respectivas costas.
A menos que o túnel seja curto, o controle do ambiente é essencial para fornecer condições de trabalho seguras e para garantir a segurança dos passageiros depois que o túnel estiver operacional. Uma das preocupações mais importantes é a ventilação - um problema ampliado pelos gases residuais produzidos por trens e automóveis. Clifford Holland abordou o problema da ventilação quando projetou o túnel que leva seu nome. Sua solução foi adicionar duas camadas adicionais acima e abaixo do túnel de tráfego principal. A camada superior limpa a fumaça do escapamento, enquanto a camada inferior bombeia ar fresco. Quatro grandes torres de ventilação, dois de cada lado do rio Hudson, alojar os ventiladores que movem o ar para dentro e para fora. Oitenta e quatro fãs, cada 80 pés de diâmetro, pode mudar o ar completamente a cada 90 segundos.
Veremos o "Big Dig" a seguir.
Agora que vimos alguns dos princípios gerais da construção de túneis, vamos considerar um projeto de túnel em andamento que continua a fazer manchetes, tanto por seu potencial quanto por seus problemas. A Artéria Central é um importante sistema de rodovias que atravessa o coração do centro de Boston, e o projeto que leva seu nome é considerado por muitos como um dos mais complexos - e caros - feitos da engenharia da história americana. O "Big Dig" é, na verdade, vários projetos diferentes em um, incluindo uma ponte totalmente nova e vários túneis. Um túnel chave, concluído em 1995, é o Túnel Ted Williams. Ele mergulha abaixo do porto de Boston para pegar o tráfego da Interestadual 90 de South Boston para o Aeroporto Logan. Outro túnel importante está localizado abaixo do Canal de Fort Point, um estreito corpo de água usado há muito tempo pelos britânicos como ponto de cobrança de pedágio para navios.
Antes de examinarmos algumas das técnicas usadas na construção desses túneis Big Dig, vamos rever por que os funcionários de Boston decidiram empreender um projeto de engenharia civil tão grande em primeiro lugar. O maior problema era o trânsito apavorante da cidade. Alguns estudos indicaram que, em 2010, A hora do rush de Boston pode durar quase 16 horas por dia, com terríveis consequências tanto para o comércio quanto para a qualidade de vida dos moradores. Claramente, algo precisava ser feito para aliviar o congestionamento do tráfego e tornar mais fácil para os passageiros navegar na cidade. Em 1990, O Congresso alocou US $ 755 milhões para o grande projeto de melhoria de rodovias, e um ano depois, a Federal Highway Administration deu sua aprovação para seguir em frente.
A Big Dig começou em 1991 com a construção do túnel Ted Williams. Este túnel subaquático aproveitou as técnicas de túnel testadas e comprovadas usadas em muitos túneis diferentes em todo o mundo. Porque o porto de Boston é bastante profundo, os engenheiros usaram o método cortar e cobrir. Tubos de aço, 40 pés de diâmetro e 300 pés de comprimento, foram rebocados para Boston depois que os trabalhadores os fizeram em Baltimore. Lá, trabalhadores terminaram cada tubo com suportes para a estrada, caixas para as passagens de tratamento de ar e utilidades e um forro completo. Outros trabalhadores dragaram uma trincheira no piso do porto. Então, eles flutuaram os tubos até o local, encheu-os de água e baixou-os para a trincheira. Uma vez ancorado, uma bomba removeu a água e os trabalhadores conectaram os tubos às seções adjacentes.
O túnel Ted Williams foi inaugurado oficialmente em 1995 - um dos poucos aspectos da Big Dig concluído no prazo e dentro do orçamento proposto. Em 2010, espera-se que carregue cerca de 98, 000 veículos por dia.
Algumas milhas a oeste, A Interestadual 90 entra em outro túnel que leva a rodovia abaixo de South Boston. Pouco antes do trevo I-90 / I-93, o túnel encontra o Canal Fort Point, um corpo de água de 120 metros de largura que forneceu alguns dos maiores desafios da Big Dig. Os engenheiros não podiam usar a mesma abordagem de tubo de aço que empregaram no túnel Ted Williams porque não havia espaço suficiente para flutuar as longas seções de aço sob as pontes na Summer Street, Congress Street e Northern Avenue. Eventualmente, eles decidiram abandonar o conceito de tubo de aço completamente e ir com seções de túnel de concreto, o primeiro uso desta técnica nos Estados Unidos.
O problema era fabricar as seções de concreto de uma maneira que permitisse que os trabalhadores se posicionassem no canal. Para resolver o problema, os trabalhadores construíram primeiro uma enorme doca seca no lado do canal de South Boston. Conhecido como bacia de fundição , a doca seca mediu 1, 000 pés de comprimento, 300 pés de largura e 18 metros de profundidade - grande o suficiente para construir as seis seções de concreto que formariam o túnel. A mais longa das seis seções do túnel tinha 414 pés de comprimento, o mais largo, com 54 metros de largura. Todos tinham cerca de 27 pés de altura. O mais pesado pesava mais de 50, 000 toneladas.
As seções concluídas foram seladas à prova d'água em ambas as extremidades. Em seguida, os trabalhadores inundaram a bacia para que pudessem flutuar as seções e posicioná-las sobre uma trincheira dragada no fundo do canal. Infelizmente, outro desafio impedia os engenheiros de simplesmente abaixar as seções de concreto na vala. Esse desafio foi o túnel de metrô da Linha Vermelha da Autoridade de Transporte da Baía de Massachusetts, que corre logo abaixo da trincheira. O peso das enormes seções de concreto danificaria o antigo túnel do metrô se nada fosse feito para protegê-lo. Portanto, os engenheiros decidiram escorar as seções do túnel usando 110 colunas cravadas na rocha. As colunas distribuem o peso do túnel e protegem o metrô da Linha Vermelha, que continua a carregar 1, 000 passageiros por dia.
The Big Dig apresenta outras inovações de tunelamento, também. Para uma parte do túnel que passa por baixo de um pátio ferroviário e uma ponte, engenheiros estabeleceram em escavação de túnel , uma técnica normalmente usada para instalar tubos subterrâneos. O levantamento de túneis envolve forçar uma enorme caixa de concreto através da terra. A parte superior e inferior da caixa sustentam o solo enquanto a terra dentro da caixa é removida. Uma vez que estava vazio, macacos hidráulicos empurraram a caixa contra uma parede de concreto até que a coisa toda deslizou um metro e meio para a frente. Os trabalhadores então instalaram tubos espaçadores na lacuna recém-criada. Repetindo esse processo indefinidamente, os engenheiros foram capazes de avançar o túnel sem perturbar as estruturas na superfície.
Hoje, 98 por cento da construção associada à Big Dig está concluída, e o custo é bem superior a US $ 14 bilhões. Mas a recompensa para os passageiros de Boston deve valer o investimento. A antiga artéria central elevada tinha apenas seis faixas e foi projetada para transportar 75, 000 veículos por dia. A nova via expressa subterrânea tem oito a dez pistas e levará cerca de 245, 000 veículos por dia até 2010. O resultado é uma hora de ponta urbana normal que dura algumas horas pela manhã e à noite.
Para ver como o Big Dig se compara a outros projetos de túnel, veja a tabela abaixo.
O Futuro do Túnel
À medida que suas ferramentas melhoram, os engenheiros continuam a construir túneis cada vez maiores. Recentemente, A tecnologia de imagem avançada está disponível para escanear o interior da Terra, computando como as ondas sonoras viajam pelo solo. Esta nova ferramenta fornece um instantâneo preciso do ambiente potencial de um túnel, mostrando tipos de rocha e solo, bem como anomalias geológicas, como falhas e fissuras.
Embora essa tecnologia prometa melhorar o planejamento do túnel, outros avanços irão agilizar a escavação e o apoio no solo. A próxima geração de máquinas de perfuração de túneis será capaz de cortar 1, 600 toneladas de sujeira por hora. Os engenheiros também estão experimentando outros métodos de corte de rocha que aproveitam os jatos de água de alta pressão, lasers ou ultrassônicos. E engenheiros químicos estão trabalhando em novos tipos de concreto que endurecem mais rápido porque usam resinas e outros polímeros em vez de cimento.
Com novas tecnologias e técnicas, túneis que pareciam impossíveis até 10 anos atrás de repente parecem viáveis. Um desses túneis é o proposto Túnel Transatlântico que conecta Nova York a Londres. Os 3, Um túnel de 160 quilômetros de comprimento abrigaria um trem levitado magneticamente viajando 5, 000 milhas por hora. O tempo estimado de viagem é de 54 minutos - quase sete horas a menos do que um vôo transatlântico médio.
Para mais informações sobre túneis e tópicos relacionados, confira os links na próxima página.
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