Máquina de elevação de tubos: como funciona, quando usá-la e o que procurar

O que uma máquina de elevação de tubos realmente faz

Uma máquina de elevação de tubos é um sistema de construção sem valas que instala dutos subterrâneos perfurando simultaneamente o solo e empurrando seções de tubos pré-fabricados para dentro do túnel escavado a partir de um poço de lançamento no nível da superfície. A máquina corta na face do furo enquanto os macacos hidráulicos posicionados na parte traseira da coluna de tubos aplicam o impulso para a frente necessário para avançar tanto a cabeça de corte como o conjunto de tubos em crescimento através do solo. O resultado é uma tubulação totalmente revestida e instalada em profundidade, sem a necessidade de escavar uma vala aberta contínua ao longo da rota da tubulação.

Este método - também conhecido como levantamento de tubos, compactação de tubos em alguns contextos ou microtúneis quando aplicado a furos de diâmetro menor com orientação controlada remotamente - tornou-se uma das técnicas mais importantes na construção de serviços públicos subterrâneos. É usado para instalar redes de esgoto por gravidade, redes de transmissão de água, linhas de distribuição de gás, dutos de telecomunicações e bueiros sob estradas, ferrovias, rios, pistas e áreas urbanas construídas onde a escavação a céu aberto seria impraticável, prejudicial ou proibida pelos operadores de infraestrutura e autoridades de planejamento.

A própria máquina de elevação de tubos é o sistema de corte e orientação na frente da operação – o componente que determina o diâmetro do furo, a compatibilidade do solo, a precisão da linha e do nivelamento e a capacidade de suporte da face. Todo o resto em uma operação de elevação de tubos — a estrutura de elevação, o anel de encosto, as estações intermediárias de elevação, o sistema de lubrificação e o arranjo de remoção de entulho — é configurado de acordo com os requisitos da máquina e as condições específicas do solo encontradas no projeto.

Os principais componentes de um sistema de elevação de tubos

Um sistema completo de elevação de tubos é mais do que apenas uma máquina de corte. É um conjunto integrado de sistemas mecânicos, hidráulicos e de orientação que devem funcionar juntos de forma confiável para que a operação avance com segurança e em linha. Compreender a função de cada componente ajuda os empreiteiros e engenheiros de projeto a tomar melhores decisões na seleção de equipamentos e a antecipar onde os problemas têm maior probabilidade de ocorrer.

A cabeça de corte e o escudo

A cabeça de corte é o elemento mais avançado do máquina de elevação de tubos , projetado para escavar o solo e apresentá-lo para remoção através do furo da tubulação. O design da cabeça de corte varia significativamente com base nas condições do solo. Em solo macio - argila, lodo, areia e cascalho - normalmente é usado um disco rotativo ou cabeça de corte com padrão de raio com portas de condicionamento do solo, geralmente em combinação com bentonita ou injeção de polímero para estabilizar a face e reduzir o atrito. Em solo misto ou rocha, cabeças de corte mais robustas equipadas com cortadores de disco, brocas de arrasto ou cortadores de botão de carboneto de tungstênio são necessárias para quebrar o material para remoção. A cabeça de corte está alojada dentro de uma blindagem de aço que fornece suporte ao solo na face do túnel e forma o corpo estrutural da máquina.

A estrutura de elevação e os cilindros de impulso

A estrutura principal do macaco é instalada no poço de lançamento atrás da coluna de tubos e fornece a força de impulso primária que avança a máquina e os tubos através do solo. Consiste em uma pesada estrutura de reação de aço ancorada contra a parede traseira do poço, equipada com cilindros hidráulicos - normalmente dois a quatro aríetes de grande diâmetro - que se apoiam em um anel de impulso ou colar de impulso encostado na face traseira do último tubo da coluna. As forças de elevação em operações de elevação de tubos são substanciais: acionamentos de microtúneis de pequeno diâmetro podem exigir de 50 a 200 toneladas de empuxo, enquanto acionamentos de grande diâmetro em terrenos difíceis com longas colunas de tubos podem exigir forças de empuxo superiores a 1.000 a 3.000 toneladas. A estrutura do macaco deve ser classificada para fornecer essas forças com segurança e ser dimensionada corretamente para o diâmetro do tubo e para a resistência de aterramento prevista do acionamento específico.

Sistema de remoção de resíduos

O material escavado deve ser removido continuamente da face do túnel através do furo da tubulação durante o levantamento. O método de remoção de entulho é uma das principais variáveis ​​que diferencia os tipos de máquinas de elevação de tubos. As máquinas de proteção de lama usam um circuito pressurizado de lama de bentonita para suspender e transportar hidraulicamente os cascalhos através de um tubo de lama até uma planta de separação de superfície, onde os sólidos são extraídos e a lama limpa é recirculada. As máquinas de equilíbrio de pressão da terra misturam o solo escavado com agentes condicionadores para criar uma massa plastificada que é então extraída por um transportador helicoidal de Arquimedes através do furo da tubulação até o poço de lançamento. A escavação manual com ferramentas manuais e remoção de caçambas ainda é usada em unidades de diâmetro maior, onde a entrada do trabalhador é prática e as condições do solo são estáveis ​​o suficiente para permitir isso.

Sistema de orientação e direção

Manter a precisão da linha e do nivelamento em todo o acionamento é fundamental – tubulações instaladas fora do alinhamento causam problemas de gradiente hidráulico em esgotos por gravidade, tensões nas juntas em tubulações de pressão e possíveis conflitos com os serviços existentes. As máquinas de elevação de tubos são dirigidas ajustando a extensão dos cilindros de direção hidráulica posicionados ao redor da periferia da blindagem, que articulam o cabeçote da máquina em relação à coluna de tubos seguinte. O monitoramento da posição é feito por meio de um teodolito a laser montado no poço de lançamento que projeta um feixe em um alvo dentro da máquina – o desvio da máquina em relação ao feixe é lido pelo operador e corrigido através dos cilindros de direção. Sistemas de orientação mais sofisticados que usam estações totais giroscópicas ou giroscópios de laser em anel são usados ​​em percursos mais longos ou curvas onde uma simples linha de laser é insuficiente.

Tipos de máquinas de elevação de tubos e quando cada uma é usada

As máquinas de elevação de tubos não são um produto único – elas existem em diversas configurações distintas, cada uma otimizada para uma faixa diferente de diâmetros de furo, condições de solo e requisitos de projeto. Selecionar o tipo de máquina correto é a decisão de equipamento mais importante em qualquer projeto de elevação de tubos.

Máquinas de Microtúnel (MTBM)

As máquinas de microtúnel são sistemas de elevação de tubos operados remotamente, projetados para diâmetros de furo que normalmente variam de 150 mm a 1.200 mm, embora o limite com sistemas maiores de entrada tripulada seja específico do projeto. A característica definidora de uma máquina de microtúnel é que o operador não entra no túnel durante a movimentação – toda a direção, monitoramento e controle da máquina são gerenciados a partir de uma cabine de controle de superfície por meio de uma conexão umbilical. Esta capacidade de operação remota torna o microtúnel adequado para furos de pequeno diâmetro onde a entrada do trabalhador é fisicamente impossível e para qualquer condição de terreno onde o acesso frontal apresente um risco de segurança inaceitável. As máquinas de microtúnel são mais comumente sistemas do tipo lama, com corte hidráulico e transporte de lama proporcionando suporte frontal contínuo e remoção eficiente de detritos em solo macio e misto.

Máquinas de elevação de tubos de equilíbrio de pressão de terra

As máquinas de elevação de tubos com equilíbrio de pressão da terra (EPB) usam o próprio solo escavado – condicionado com água, espuma ou polímero para obter uma plasticidade viável – como principal meio de suporte de face. Uma antepara de pressão atrás da cabeça de corte mantém uma pressão controlada do solo contra a face do túnel, com a taxa de extração do transportador helicoidal equilibrada em relação à taxa de avanço para manter a pressão da face dentro de uma faixa alvo. As máquinas EPB são particularmente eficazes em solos coesos e mistos, areias alagadas e ambientes urbanos onde o assentamento do solo deve ser minimizado. Eles lidam com uma ampla gama de diâmetros de cerca de 600 mm até vários metros e estão disponíveis em configurações operadas remotamente e com entrada tripulada, dependendo do tamanho do furo.

Máquinas de elevação de tubos de proteção de lama

As máquinas de proteção de lama apoiam a face do túnel usando lama de bentonita pressurizada e removem os cascalhos hidraulicamente através de um circuito fechado de lama. Eles se destacam em solos granulares saturados – areias correntes, cascalhos e depósitos aluviais permeáveis ​​– onde o condicionamento EPB é difícil e onde a manutenção da pressão superficial é crítica para evitar rupturas ou assentamentos. A planta de separação de lama necessária na superfície é um elemento logístico significativo em projetos do tipo lama: ocupa uma área considerável do local, requer um gerenciamento cuidadoso das propriedades da mistura de lama e gera um fluxo de descarte de resíduos de torta de lama prensada por filtração que deve ser gerenciado como um material residual. Apesar desta complexidade, as máquinas de proteção de lama são muitas vezes a única tecnologia viável para solos granulares contendo água em profundidades significativas.

Máquinas de elevação de tubos para corte de rocha

Em formações rochosas, as cabeças de corte de solo padrão são ineficazes e são necessárias máquinas especializadas de corte de rocha. Essas máquinas são equipadas com conjuntos de cortadores de disco de face inteira - semelhantes em princípio a uma TBM (máquina perfuradora de túnel) - que aplicam cargas pontuais elevadas à face da rocha para fraturá-la em cavacos. Os cavacos são então lavados ou transportados para fora do furo. As máquinas de levantamento de rocha devem ser adaptadas à resistência à compressão, abrasividade e características de fratura da formação rochosa específica: rochas sedimentares macias, como giz ou argilito, podem ser manuseadas por cabeças de arrasto reforçadas, enquanto rochas ígneas ou metamórficas duras com valores UCS acima de 100 MPa requerem cortadores de disco de face inteira em tipos de aço mais duros. As taxas de desgaste do cortador em rocha abrasiva são um importante fator de custo e devem ser levadas em consideração nos orçamentos do projeto desde o início.

Condições do terreno e seu impacto na seleção da máquina

Nenhum tipo de máquina de elevação de tubo único funciona bem em todas as condições de solo. A investigação geotécnica – furos, poços de teste, testes laboratoriais de amostras de solo e monitoramento do nível das águas subterrâneas – é a base essencial sobre a qual toda decisão de seleção de máquina deve se basear. Especificar a máquina errada para as condições de solo encontradas é uma das causas mais frequentes de falha no projeto de levantamento de tubos, levando a máquinas presas, estouros, recalques excessivos ou abandono total da transmissão.

A tabela abaixo resume a relação geral entre as condições do solo e os tipos apropriados de máquinas de elevação de tubos:

Gerenciando forças de levantamento e usando estações de levantamento intermediárias

À medida que a coluna de tubos se alonga durante um acionamento, o atrito que atua na superfície externa dos tubos se acumula e a força total de levantamento necessária para avançar o sistema aumenta progressivamente. Em percursos curtos em terreno favorável, esse acúmulo é administrável apenas dentro da capacidade da estrutura principal do macaco. Em acionamentos mais longos — especialmente aqueles que excedem 100 a 150 metros, ou acionamentos mais curtos em solo abrasivo ou de alto atrito — o atrito superficial acumulado pode exceder a capacidade de impulso da estrutura principal e a capacidade de carga estrutural das juntas do tubo. É aqui que as estações intermediárias de elevação se tornam essenciais.

Uma estação de elevação intermediária (IJS) é um cilindro curto de aço equipado com seu próprio conjunto de aríetes hidráulicos, instalados dentro da coluna de tubos em intervalos predeterminados durante o acionamento. Quando a força do macaco se aproxima do seu limite, os macacos IJS são ativados para empurrar a parte dianteira da coluna de tubos de forma independente enquanto os macacos principais são reiniciados. Ao dividir a coluna de tubos em segmentos e ativar as unidades IJS sequencialmente, a força máxima aplicada a qualquer junta de tubo individual é mantida dentro de limites estruturais seguros e o acionamento pode continuar muito além do que a estrutura de elevação principal sozinha poderia alcançar. Projetos de elevação de tubos bem projetados em acionamentos longos especificam as posições IJS antecipadamente com base nas cargas de atrito calculadas, com posições adicionais pré-planejadas caso as condições do solo sejam piores do que o previsto.

A lubrificação da interface tubo-solo usando pasta de bentonita ou gel de polímero injetado através de portas na parede do tubo é a outra estratégia principal para gerenciar forças de levantamento. Um programa de lubrificação eficaz pode reduzir o atrito da parede do tubo em 50–80% em comparação com acionamentos não lubrificados, ampliando drasticamente o comprimento de acionamento alcançável e reduzindo o número de unidades IJS necessárias. A lubrificação deve ser mantida continuamente durante todo o acionamento – permitir que ele se quebre ou seja absorvido pelo solo circundante aumenta rapidamente o atrito e pode fazer com que a coluna do tubo fique presa.

Materiais de tubos usados em operações de elevação de tubos

As seções de tubos empurradas através do solo por uma máquina de elevação de tubos devem suportar tanto as cargas axiais de elevação transmitidas ao longo de seu eixo quanto as pressões externas do solo e da água subterrânea que atuam em suas paredes durante toda a sua vida útil. Nem todos os materiais de tubo são adequados para macacos, e a escolha do tipo de tubo tem implicações diretas no diâmetro do furo, comprimento de acionamento, deflexão permitida nas juntas e desempenho da tubulação a longo prazo.

• Tubo de elevação de concreto armado: O material mais utilizado para macacos de esgoto em diâmetros médios a grandes (300 mm a 3.000 mm e além). Os tubos de elevação de concreto são fabricados de acordo com padrões específicos de elevação — EN 1916 na Europa, ASTM C76 na América do Norte — com anéis de extremidade de aço endurecido em cada face da junta para distribuir uniformemente as cargas de elevação e minimizar a concentração de tensão na junta. Eles oferecem excelente durabilidade a longo prazo, resistência química a gases de esgoto e custo competitivo em diâmetros maiores.
• Tubo de macaco de argila vitrificada: Usado em diâmetros de esgoto menores, normalmente de 150 mm a 600 mm. A argila vitrificada oferece excepcional resistência ao ataque químico de esgotos agressivos e efluentes industriais, tornando-a a escolha preferida para ambientes de esgoto quimicamente exigentes. A sua fragilidade em comparação com o betão exige um manuseamento cuidadoso e limita as forças de levantamento que podem ser aplicadas.
• Tubo de elevação de aço: Utilizado para redes de transmissão de água e gás, oleodutos e tubos de revestimento em diâmetros maiores. O aço fornece resistência à compressão e à tração muito alta, permitindo a aplicação de altas forças de levantamento e tornando-o adequado para percursos longos e condições de solo duro. A proteção externa contra corrosão – epóxi ligado por fusão, revestimento de poliuretano ou proteção catódica – é essencial para uma longa vida útil.
• Tubo de elevação GRP (polímero reforçado com fibra de vidro): Combina alta resistência com peso leve e excelente resistência à corrosão. Os tubos de elevação GRP são cada vez mais especificados para ambientes quimicamente agressivos e para acionamentos onde o peso reduzido do tubo simplifica o manuseio em poços de lançamento confinados. Eles exigem um projeto de junta cuidadoso para garantir a transferência de carga adequada sob forças de levantamento.
• Concreto polímero e tubo HOBAS: Os tubos de argamassa de polímero reforçado com fibra de vidro fundida centrifugamente (CCFRPM) combinam a resistência química do polímero com a resistência à compressão necessária para aplicações de macaco. Amplamente utilizado em aplicações agressivas de esgoto e drenagem industrial em toda a Europa e cada vez mais em outros mercados.

Principais considerações de planejamento do projeto antes de mobilizar uma máquina de elevação de tubos

Projetos de elevação de tubos que encontram sérios problemas no campo raramente são azarados – são quase sempre o resultado de planejamento inadequado, investigação insuficiente do terreno ou suposições irrealistas feitas durante o projeto. Os seguintes elementos de planejamento merecem atenção cuidadosa antes de qualquer máquina de elevação de tubos ser mobilizada para o local.

• Escopo e qualidade da investigação geotécnica: Os furos devem ser espaçados em intervalos apropriados à variabilidade do terreno do local - normalmente não mais de 50 metros ao longo do alinhamento de accionamento para projectos urbanos - e devem estender-se até pelo menos 3 diâmetros de tubo abaixo do nível invertido do furo proposto. Os testes de laboratório devem incluir a distribuição do tamanho das partículas, o índice de plasticidade, a resistência ao cisalhamento não drenado, a resistência à compressão não confinada para rochas e a química das águas subterrâneas onde a corrosão de tubos ou componentes de máquinas é uma preocupação.
• Pesquisa de serviços existentes: Uma pesquisa completa da concessionária usando radar de penetração no solo, localização eletromagnética e uma revisão de todos os registros da concessionária disponíveis devem ser concluídas antes que o alinhamento da unidade seja finalizado. Uma concessionária não detectada cruzando um poço ativo tem o potencial de ter consequências catastróficas – greves em redes de gás, cabos de alta tensão ou redes de água nas proximidades de um acionamento energizado estão entre os riscos mais sérios na construção urbana sem valas.
• Projeto do poço de lançamento e recepção: O poço de lançamento deve ser grande o suficiente para acomodar a estrutura do macaco, o equipamento de manuseio de tubos, o sistema de remoção de entulho e fornecer acesso de trabalho seguro para a tripulação. As dimensões mínimas do poço são determinadas pelo diâmetro do tubo, comprimento da máquina e curso do macaco. A cava deve ser adequadamente escorada e desidratada, e a parede de impulso traseira deve ser estruturalmente capaz de resistir à força máxima prevista de levantamento sem movimento ou falha.
• Comprimento e curvatura da unidade: Cada combinação de tipo de máquina e material de tubo tem um comprimento de acionamento máximo alcançável, além do qual as forças de levantamento ou as tensões nas juntas do tubo se tornam incontroláveis. Da mesma forma, alinhamentos curvos são possíveis, mas introduzem complexidade adicional na orientação e aumentam as cargas de flexão nas juntas dos tubos. Acionamentos que excedam aproximadamente 150 metros ou que incorporem curvas horizontais ou verticais devem ser avaliados por um engenheiro especialista em valas antes de finalizar a seleção da máquina.
• Monitoramento de liquidação e avaliação de risco: Para movimentações sob estruturas sensíveis – trilhos ferroviários, edifícios históricos, pilares de pontes ou instalações industriais operacionais – um programa de monitoramento de assentamentos usando monumentos de levantamento de superfície, nivelamento preciso e medidores de inclinação em estruturas sensíveis deve ser estabelecido antes do início da movimentação. Os níveis de acionamento e ação para ajuste dos parâmetros da máquina ou suspensão da transmissão devem ser previamente acordados com os proprietários da infraestrutura afetada.

Problemas comuns durante o levantamento de tubos e como empreiteiros experientes os tratam

Até mesmo unidades de elevação de tubos bem planejadas encontram problemas. As condições do solo raramente correspondem exatamente aos dados do poço, os componentes da máquina desgastam-se ou apresentam mau funcionamento e obstruções inesperadas são uma realidade na construção subterrânea urbana. A diferença entre um projeto que se recupera desses eventos e outro que resulta em uma máquina presa ou acionamento abortado geralmente se resume à experiência da equipe e às medidas de contingência incorporadas no plano do projeto.

Obstruções na Face do Túnel

Pedregulhos, paralelepípedos, antigas fundações de alvenaria, pilhas de madeira e serviços públicos desativados estão entre as obstruções inesperadas mais comuns encontradas durante manobras de elevação de tubos em áreas urbanas. Em acionamentos de diâmetro de entrada tripulada, os trabalhadores podem, às vezes, quebrar obstruções com ferramentas manuais ou rompedores pneumáticos sob a proteção da blindagem. Em diâmetros de microtúneis menores, onde a entrada não é possível, as opções de contingência incluem acesso intervencionista a partir de uma escavação acima do acionamento, jet grouting perfurado na superfície ou injeção de resina para estabilizar o solo ao redor da obstrução ou, em casos extremos, abandonar o acionamento e recuperar a máquina de um novo poço antes do bloqueio.

Acúmulo excessivo de força de levantamento

Quando as forças de levantamento aumentam mais rapidamente do que o previsto, a primeira resposta deve ser sempre avaliar e otimizar o programa de lubrificação – aumentando o volume e a frequência de injeção, verificando se as portas de lubrificação não estão bloqueadas e verificando se o vazio anular ao redor dos tubos está adequadamente preenchido. Se a otimização da lubrificação não impedir o aumento da força, a ativação das estações de elevação intermediárias antes do planejado é o próximo passo. Forçar um acionamento preso aplicando empuxo máximo raramente é produtivo e corre o risco de danificar as juntas do tubo, falhar nos componentes da máquina ou elevar a superfície. Pausar o acionamento e permitir que o solo relaxe ligeiramente ao redor da coluna de tubos – combinado com lubrificação intensificada – geralmente alcança mais progresso do que forçar continuamente.

Desvio Off-Line

Os desvios de orientação detectados precocemente são controláveis — os cilindros de direção podem corrigir progressivamente o rumo da máquina ao longo dos próximos comprimentos de tubo sem criar ângulos de junta inaceitáveis. Desvios que não são detectados até serem grandes são muito mais difíceis de recuperar e podem resultar em tensões nas juntas dos tubos, recalques da superfície em um local não intencional ou possíveis conflitos com os serviços existentes. A melhor defesa contra problemas de desvio é um regime de monitoramento rigoroso – leitura e registro da posição alvo de orientação após cada instalação de tubulação, não apenas no início de cada turno – e um protocolo de ação claro para quais correções de direção são aplicadas e em que magnitude de desvio.