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Metodologias construtivas e a concepção das estações subterrâneas – O futuro em desenvolvimento
Metodologias construtivas e a concepção das estações subterrâneas
O futuro em desenvolvimento
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FRICARDO LUIZ LEONARDO LEITE*, ILVIO SILVA ARTIOLI** HUGO CASSIO ROCHA***, GERSON LUIZ MARTINES****
INTRODUÇÃO
Aconcepção de uma estação subterrânea é definida pelas metodologias construtivas que serão empregadas para sua construção. Cada uma delas estabelecerá as formas estruturais da futura estação, os materiais que serão empregados em sua construção e os impactos que causará ao meio ambiente e urbano. A escolha dos métodos construtivos depende das características do sistema viário e da intensidade do tráfego de veículos e pedestres, do porte, da densidade e das condições estruturais das edificações lindeiras, dos tipos e dimensões das redes de utilidades públicas, enterradas ou aéreas, da topografia e da geologia e geotecnia, entre outras. A arquitetura das estações pode ser constituída por apenas um tipo de método construtivo, como por exemplo a Vala a Céu Aberto (VCA) ou pela composição de vários métodos como túneis e poços.
Ao longo de sua existência o Metrô de São Paulo desenvolveu metodologias construtivas e fomentou a formação de técnicos e aquisição de conhecimentos nesse campo, em conjunto com empresas contratadas especializadas em projetos e construção de obras subterrâneas. O resultado foi o domínio e o repositório das competências essenciais para planejar, desenvolver soluções, projetar e construir linhas subterrâneas de metrô. Essas competências permitem seguir expandindo a rede metroviária em uma das maiores concentrações de pessoas do planeta, exigindo ampla mobilidade com rapidez e segurança, constituindo-se em um constante e complexo desafio.
A complexidade da cidade de São Paulo, com edifícios cada vez mais altos e de rápida construção, ocupando densamente o espaço urbano nas últimas décadas, representa uma enorme dificuldade à implantação de um sistema de alta capacidade como o do metrô, com seus limitantes raios de curvas e declividades de vias, tornando um desafio a inserção do traçado entre os prédios e, ainda, somando-se a isso o atual estágio de conscientização da sociedade quanto aos seus direitos e as legislações, como as de cunho ambiental, acessibilidade e segurança, que trazem cada vez maiores custos e restrições nos padrões de desempenho para a implantação das obras de uma linha de Metrô. Nesse cenário, o desenvolvimento de novos métodos construtivos, ou a composição deles, não é apenas uma necessidade, mas sim uma questão de sobrevivência desse meio de transporte.
Figura 2 - Poços Múltiplos - Estação Brooklin da Linha 5-Lilás Figura 3 -Túnel das vias do Metrô de Madri, escavado por tuneladora
Ao desenvolvimento das tuneladoras, mais tecnológicas, com diâmetros cada vez maiores (figura 1) e imprimindo maior segurança à construção dos túneis, depende o avanço das escavações subterrâneas em grandes metrópoles, sem esquecer o desenvolvimento dos túneis convencionais, pela sua maleabilidade de formas e dos poços circulares, seja para acesso aos túneis ou para a própria escavação da estação, como é o caso dos poços múltiplos (figura 2), a evolução de métodos de cálculos computadorizados, como elementos finitos e outros e a experiência da engenharia de escavações.
As metodologias construtivas e suas composições têm sido beneficiadas pela criatividade e pelo desenvolvimento tecnológico de escavações e o futuro do Metrô, como meio de mobilidade que não ocupe o já exíguo espaço urbano, dependerá de sua capacidade de se apropriar e até estar à frente desse processo de desenvolvimento.
ATRASO DA INDÚSTRIA DA CONSTRUÇÃO
Segundo o Executive Sumary da Mackinsey Global Institute, de fevereiro de 2017, disponível na internet, intitulado “Projects & Infrastructure Practice Reinventing Construction: A Route To Higher Productivity”, o setor de construção é um dos maiores da economia mundial, com cerca de 10 trilhões de dólares por ano. Mas, a evolução da produtividade dessa indústria, no mundo, tem sido muito baixa em comparação com a de vários outros setores. Globalmente, a produtividade da indústria de construção cresceu 1% ao ano nas duas últimas décadas, enquanto o total da economia cresceu 2,8% e a de manufatura 3,6%. Esse sumário apresenta um diagnóstico dos problemas que essa indústria enfrenta e aponta soluções dentre elas a mecanização e o avanço em direção a um sistema de produção em massa inspirado na manufatura que aumentaria a produtividade em até dez vezes.
Nesse sentido, com o objetivo de aumentar o grau de industrialização na construção de túneis, a equipe de projeto básico do Metrô de São Paulo está desenvolvendo um novo conceito, batizado de Projeto Tatuzão, com foco no uso de tuneladoras de grandes diâmetros, tanto para os trechos das vias, quanto para o das estações o que poderá trazer impactos positivos em todo o ciclo da construção de novas linhas metroviárias. Nesse caso, o grau de mecanização de escavação do túnel das vias passará de cerca de 78% para próximo de 100%, a depender de situações que demandem alguma estação convencional.
Figura 4 - Túnel das plataformas, escavação convencional
Figura 5 - Ilustração do túnel das vias da Linha 9 de Barcelona escavado com tuneladoras - Diâmetro de 12 metros
PROJETO TATUZÃO
O Tatuzão, nome popular dado pelos paulistanos às tuneladoras utilizadas nas escavações do Metrô de São Paulo, foi escolhido como marca desse projeto em homenagem ao tatu, animal da fauna brasileira hábil em escavar o que representa o dia a dia daqueles que se dedicam a escavar o solo da cidade para propiciar a mobilidade da metrópole. O Projeto Tatuzão representa o desenvolvimento de um novo conceito para construção de futuras linhas, baseado no aumento da industrialização na construção de túneis, com a extensão do uso das tuneladoras, atualmente utilizadas somente nos túneis das vias, entre estações (figura 3), para os túneis das plataformas das estações (figura 4).
Buscando minimizar deficiências da indús-
Figura 7 - Saída de emergência Linha 9 de Barcelona Figura 8 - Traçado esquemático com as 4 regiões de dimensionamento do diâmetro de escavação da tuneladora Figura 9 - Túnel das plataformas da estação / R=1000m e S=0 / Diâmetro de escavação = 14m a 15m
tria da construção civil, a construção de um único túnel, tanto para as vias, como para as plataformas das estações de uma linha subterrânea de metrô, com máquinas tuneladoras de grande diâmetro, possibilitaria elevar o grau de industrialização das escavações dos túneis das vias e das plataformas das estações para próximo de 100% da extensão total da linha. Deve ser observado que os túneis convencionais das plataformas das estações são de alta complexidade, embora de pequenas extensões.
O Metrô de Barcelona inovou nesse campo ao projetar e construir a Linha 9, utilizando uma tuneladora com 12,00m de diâmetro de escavação, mudando alguns conceitos tradicionais como a colocação das vias entre estações (figura 5) e das plataformas das estações (figura 6), dentro do mesmo túnel executado por tuneladora.
Haverá ganhos de qualidade, segurança e de previsibilidade de prazos e custos. A escavação com tuneladora pode ser comparada a uma produção industrial, tanto na fábrica dos anéis de revestimento do túnel, como na “produção” do túnel com escavação mecanizada, controle de estabilidade do solo, direcionamento da tuneladora e montagem dos anéis, tudo monitorado centímetro a centímetro por eletrônica embarcada de alta precisão, incluindo os componentes mecânicos da máquina pelo fabricante. A equipe de operadores é altamente experiente e qualificada para o tipo de máquina e terreno a ser escavado.
Outra inovação foi a substituição das saídas de emergência para o exterior, pela passagem de um piso para outro (figura 7). Em estações de grande profundidade, entre 60m e 80m, foi utilizado poços de grandes diâmetros e elevadores para acesso às plataformas. O estudo do diâmetro de escavação das tuneladoras deve contemplar as especificidades funcionais de quatro regiões distintas ao longo do traçado do túnel principal: estações, salas técnicas, trecho de túnel com aparelhos de mudança de via (AMV) e trechos de túneis em curva (figura 8).
A equalização desses diâmetros é determinante para a viabilidade técnica, operacional, ambiental e econômica do empreendimento uma vez que, quanto maior o diâmetro de escavação, maior será o volume a ser escavado e maior será a profundidade das estações. Outros fatores também são importantes, mas o diâmetro estará presente em muito deles. A seguir são apresentadas as regiões e suas características:
a) Região das estações
Contempla a colocação das utilidades das estações como plataformas e portas automáticas de acesso aos trens, passagem de cabos, sistema de exaustão e ventilação, mobiliário, comunicação visual e outros (figura 9). b) Região das salas técnicas
Prevê-se a colocação das salas técnicas, que contém os equipamentos eletromecânicos, elétricos e eletrônicos, na sequência das estações, em dois níveis (conforme figuras 10 e 11). Trará vantagens em relação às estações subterrâneas convencionais que, por indisponibilidade de espaços no interior dos túneis ou pelo alto custo desses espaços quando possíveis, são colocadas na superfície.
c) Região de curvas do traçado das vias
Localizam-se no trecho entre estações com raios que podem variar entre 300 metros e infinito (retas), contemplando espaço para os gabaritos dinâmicos dos trens em quatro vias (figura 12).
A utilização dessas vias permanentes é flexível sendo duas sempre operacionais e as demais dependentes de condições como greide das vias e de estratégias operacionais, podendo servir, em determinados trechos, como estacionamentos de trens, em outros como desvio operacional por algum problema nas vias operacionais ou, ainda, para saídas de emergência (como mostrado na figura 7) ou, ainda, para outras utilidades operacionais e de manutenção.
d) Região dos aparelhos de mudança de vias (AMV)
Localizados entre estações e nas extremidades das estações terminais, os AMV (figu-
Figura 11 - Salas Técnicas localizadas no interior do túnel escavado por tuneladora, contíguas à estação e laterais às vias operacionais (Modelos BIM)
Figura 12 - Túnel das vias na região de curva / Vias principais - R=300m e S= 125m / Vias de estacionamento - Raio =300m e =125m Figura 13 - Túnel das vias na região de AMV 190 – 1:9, Raio=190m e S= 0, Diâmetro de escavação entre 14m e 15m Figura 14 - Ilustração de estudo de túnel de plataformas central de estação, executado por tuneladora com diâmetro de escavação de 16,16 metros
ra 13), possuem raios pequenos ou médios e consequentemente podem ser determinantes para no dimensionamento do diâmetro de escavação das tuneladoras. Essa configuração permite estacionar 2 trens ao lado das vias principais (VP), ou operá-las como desvios.
ESTAÇÕES
A inovação da concepção das estações de futuras linhas depende de novas tecnologias e métodos construtivos de escavação de túneis e da criatividade de suas aplicações e composições. O desenvolvimento atual das tuneladoras, com diâmetros cada vez maiores, permitem criar conceitos para uma linha de alta capacidade, como aqueles utilizados no Metrô de Barcelona e os que estão sendo previstos no Projeto Tatuzão.
Nos anos 2010 o Metrô estudou um projeto semelhante, baseado no projeto da Linha 9 de Barcelona, mas com algumas variantes para adequar à sua realidade de demanda, às características da via permanente e de seus sistemas de amortecimento de vibrações e ruídos, às características dos trens, dos sistemas elétricos, eletromecânicos e eletrônicos, aos padrões operacionais e de manutenção e às legislações brasileiras. Na ocasião optou-se por um modelo de estação com plataforma central (figura 14) e vias operacionais no mesmo plano em função da exigência de colocação de aparelhos de mudança de vias (AMV) a cada três estações. Todas essas condições levaram a um diâmetro de escavação da tuneladora de 16,16 metros considerado excessivo, no limite da tecnologia dessas máquinas à época, para o tipo de maciço a ser escavado, inviabilizando a continuidade do projeto.
Tendo em vista a evolução das tuneladoras para diâmetros cada vez maiores (figura 1), o Metrô voltou a estudar essa alternativa. Desta maneira, as estações estão sendo modeladas pela composição de vários métodos construtivos conforme a seguir descrito.
O túnel das plataformas das estações (figura 15), deverá ser construído pela mesma tuneladora do túnel das vias, método inovador para o Metrô de São Paulo, em processo contínuo, reduzindo o tempo de escavação da espinha dorsal da linha, ou seja, do túnel de circulação dos trens. Além de imprimir um tempo x caminho constante e mais rápido para o túnel principal das vias, propiciará maior qualidade e segurança na escavação do túnel das plataformas das estações, tanto pela mecanização da escavação, como pela redução de suas dimensões. O diâmetro de escavação da tuneladora se situa entre 14m e 15m dependendo do tipo de alimentação elétrica dos trens (catenária ou 3º trilho).
Figura 15 - Túnel das plataformas localizadas no interior do túnel escavado por tuneladora (Modelo BIM)
II) Métodos construtivos para acessos às plataformas das estações
O Metrô de São Paulo busca por meio do Projeto Tatuzão associar à concepção descri-
Figura 16 - Ilustração de estação construída pela composição de túneis convencionais das plataformas com mezaninos escavados com auxílio de enfilagens Figura 17 - Escavação do mezanino sob as enfilagens Figura 18 - Cravação de enfilagens a partir de vala de 4m x 50m, escavada na calçada da Av. Paulista
Figura 19 - Túnel das plataformas escavado pelo método convencional
Figura 20 - Estação da Linha 2-Verde do Metrô com poços secantes de grandes diâmetros sobre o túnel convencional das plataformas Figura 21 - Estação da Linha 2-Verde com poço central de grande diâmetro sobre o túnel convencional das plataformas. Vista do poço pelo túnel das plataformas
ta acima a outros métodos construtivos que desenvolveu, projetou e implantou ao longo de sua história, tais como poços de grandes diâmetros, valas à céu aberto e escavações com auxílio de enfilagens. A escolha da composição depende do local por onde passará a linha a ser implantada, das características do sistema viário, da disponibilidade e custos de áreas para desapropriação e dos impactos ao meio urbano, dentre outros.
No trecho da Linha 2-Verde, entre as estações Vila Madalena e Paraíso, os túneis das vias, entre estações foram construídos por tuneladoras e as estações foram construídas em túneis convencionais associados ao método das enfilagens (figuras 16, 17 e 18), tendo em vista, de um lado a falta de áreas disponíveis para a desapropriação e ao custo do m² da região e de outro a avantajada largura das calçadas que permitiram a implantação de valas estreitas para os acessos.
Entre as estações Paraíso e Vila Prudente, pela disponibilidade de áreas e características dos sistemas viário, com calçadas estreitas, utilizou-se os poços de grandes diâmetros, simples ou compostos, para os acessos às estações (figuras 19, 20 e 21).
III) Métodos construtivos para distribuição do fluxo de passageiros
As estações metroviárias podem ser divididas em três tipologias quanto a capacidade de passageiros: pequena, média e alta capacidade. Convencionalmente as plataformas são dimensionadas para conter os passageiros que vão embarcar e desembarcar e, ainda, permitir o seu fluxo para ocupação de toda a extensão da plataforma. No Projeto Tatuzão as plataformas das estações de baixa e média demandas deverão permitir o embarque, desembarque e fluxo de distribuição de passageiros que a acessam por um único ponto central, figura 22. Nas estações de maiores demandas, o fluxo poderá ser distribuído por meio de túnel paralelo ao túnel principal, com dois ou três pontos de acesso às plataformas, conforme apresentado no croqui da figura 23, dependendo das dimensões do túnel de interligação e das condições do maciço. O diâmetro de escavação previsto para a tuneladora varia de 14m a 15m (conforme figuras 9, 12 e 13).
ESTRATÉGIAS DE IMPLANTAÇÃO
A estratégia de implantação da linha deverá ser totalmente repensada, tanto pelas maiores dimensões da tuneladora e sua passagem direta pelas estações, como pelas oportunidades que esse novo conceito promete. O impacto negativo está ligado ao próprio aumento do diâmetro da escavação que deverá provocar um aumento na profundidade das estações e no volume escavado. Assim, quanto menor o diâmetro de escavação, menor o impacto. Tirar o máximo de proveito dessa nova solução pode ser um grande aliado para reduzir ou até reverter essas desvantagens. A seguir são elencadas algumas possibilidades em estudo atualmente: a) Estacionamento de trens no interior do túnel das vias. Conforme figura 12, o projeto do túnel permite a colocação das duas vias operacionais e mais duas de estacionamento. A consequência será a redução, ou até a eliminação, de trens estacionados no pátio de manutenção, diminuindo as enormes áreas necessárias, atualmente necessárias para permitir o estacionar dos trens da linha nos pátios de manutenção e, também, reduzir movimentação de terra, tanto para bota fora, como de empréstimo para aterro. b) Esse método permite não construir
Figura 22 - Estação de baixa e média capacidade. Croqui com esquema de estação de baixa e média demandas com poço de grande diâmetro para acesso lateral ao túnel das plataformas executado por tuneladora
uma estação no momento da implantação da linha, postergando a maior parte de sua construção para o futuro. Essa questão está na pauta de do Metrô há bastante tempo. Conforme a rede do metrô vai se formando e linhas perimetrais vão sendo concebidas, a baixa demanda de estações intermediarias, que não sejam de integração ou terminais, têm sido um desafio para o planejamento. Algumas estações dependem de implantação de outros modais de transporte que, no momento de implantação da linha não estarão construídos ou, pior, poderão não ser implantados no futuro. No caso do Projeto Tatuzão o túnel das plataformas será escavado pela tuneladora sem a necessidade de acessos pela superfície como nas estações convencionais. Nesse caso, será necessário garantir as áreas para a futura implantação dos acessos da estação. c) O processo de implantação das estações e das ventilações e saídas de emergência muda. No modelo tradicional, disponibilização de áreas desapropriadas para a construção da estação define o planejamento do tempo x caminho da escavação dos túneis das vias, quer seja escavado por tuneladoras, quer seja por método tradicional uma vez que as escavações da estação começam pelos acessos até chegar ao túnel das plataformas o que, muitas vezes, provoca atrasos. No Projeto Tatuzão a disponibilização das áreas está ligada ao planejamento somente dos acessos e mezaninos, sendo que o do túnel das plataformas da estação está ligado à escavação do túnel principal das vias. Quanto às ventilações e saídas de emergência, no Projeto Tatuzão a saída de emergência deixa de existir da maneira tradicional e passa a ser interna ao túnel, conforme figura 7. d) O túnel das plataformas passa a ser padrão para qualquer estação, sendo o fluxo de distribuição de passageiros que define a sua capacidade, se de baixa e média ou de alta demanda (conforme ilustrado nas figuras 22 e 23). e) Diminuição do impacto ao meio ambiente nas regiões de implantação das estações: (1) o volume de escavação do túnel das plataformas deverá ser retirado pelo poço das tuneladoras diminuindo, assim, o impacto ao meio ambiente local em função da redução de caminhões transportando terra para o bota fora; (2) as tuneladoras são movidas a eletricidade, ao contrário dos equipamentos tradicionais movidos a diesel utilizados na construção das estações, diminuindo ainda mais o impacto nas regiões de construção das estações.
Fomentar o interesse do meio técnico em desenvolver novos projetos conceitos, como o apresentado, inovando no uso de tecnologias, metodologias construtivas e suas composições, permitirá ao Metrô o contínuo domínio e repositório das competências essenciais para planejar, desenvolver soluções, projetar e construir linhas subterrâneas de metrô. Serão essas novas competências que permitirão a expansão da rede metroviária, sistema que promove cada vez mais a mobilidade e integração da cidade, com rapidez, confiabilidade, segurança e mínima ocupação de seu espaço urbano. O Metrô está e estará atento ao desenvolvimento da tecnologia global de projetos e construções subterrâneas, incluindo investimentos em digitalização, objetivando introduzir inovações que permitam incrementos contínuos de qualidade e produtividade em suas atividades técnicas, como meio de contribuir com a qualidade de vida da sociedade.
Figura 23 - Estação de alta capacidade. Croqui com esquema de estação de alta demanda com poço de grande diâmetro para acesso lateral ao túnel das plataformas a ser executado por tuneladora e túnel convencional de distribuição do fluxo de passageiros, figura 23 (a), ou com poço de grande diâmetro sobre o túnel das vias, figura 23 (b) ou, ainda, com poço em óculos, figura 23 (c), com diâmetros menores sobre o túnel das plataformas
*Ricardo Luiz Leonardo Leite é engenheiro civil, responsável pelo Núcleo de Padronização de Unidades Construtivas do Metrô-SP E-mail: imprensa@metrosp.com.br ** Ilvio Silva Artioli é arquiteto urbanista, responsável pelo Núcleo de Inovação do Metrô-SP E-mail: imprensa@metrosp.com.br *** Hugo Cassio Rocha é geólogo, mestre em Engenharia Geotécnica, specialista no Metrô-SP E-mail: imprensa@metrosp.com.br **** Gerson Luiz Martines é engenheiro eletricista, Assessor Técnico no Metrô-SP E-mail: imprensa@metrosp.com.br
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] LEITE, RICARDO L. L. - Metodologias construtivas e a concepção das estações: passado, presente e futuro. REVISTA ENGENHARIA, Engenho Editora Técnica/Instituto de Engenharia, São Paulo n. 638, p. 92 – 98, 2018. [2] LEMOS, LUÍS BASTOS; ET AL. - Inovações tecnológicas nas obras do Metrô de São Paulo. REVISTA ENGENHARIA, Engenho Editora Técnica/Instituto de Engenharia, São Paulo n. 638, p. 103 – 106, 2018; [3] PEEV, E.; ROCHA, HUGO CÁSSIO - Tuneladoras: elas vieram para ficar. REVISTA ENGENHARIA, Engenho Editora Técnica/Instituto de Engenharia, São Paulo, n. 617, p. 186-189, Out./2013, 2013. [4] ROCHA, HUGO CÁSSIO; SILVA, M. A. A. P.; RIBEIRO, F. N. - Evolução Tecnológica das Máquinas Tuneladoras e Anéis de Revestimento no Metrô de São Paulo. REVISTA ENGENHARIA, Engenho Editora Técnica/Instituto de Engenharia São Paulo, v. 607, p. 134-138, Out./2011. Publicação, 2011. [5] ROCHA, HUGO CÁSSIO; SILVA, M. A. A. P.; RIBEIRO, F. N. - Evolução Tecnológica das Máquinas Tuneladoras e Anéis de Revestimento no Metrô de São Paulo. Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, Cobramseg, ABMS - Gramado – Brasil, 2010. [6] GABARRA, MURILO MACEDO - Industrialização e Padronização para Expansão da Rede de Metrô de São Paulo. Dissertação de Mestrado FAU-USP, São Paulo, 2016. [7] PONTES, FABIO MARTINI - Qual o limite da média capacidade? A utilização do metrô leve subterrâneo nas grandes cidades brasileiras. 18ª Semana de Tecnologia Metroferroviária – AEAMESP, São Paulo, set./2012.
