Tuneladoras gigantes retêm rocha devido ao escoamento interno

Uma tuneladora de 15 metros, um enorme sistema subterrâneo de perfuração que atravessa rocha para abrir túneis, revelou ser capaz de reter a própria rocha fragmentada quando a rotação rápida empurra a mistura lamacenta contra uma parede circular.

Esta descoberta altera a explicação para as paragens destas máquinas: a principal limitação ao avanço não é a potência de corte, mas sim o escoamento interno e o transporte dos detritos.

No interior da câmara

Na câmara pressurizada de um escudo de lama, o bloqueio formou-se à medida que os detritos recém-gerados caíam depressa e se espalhavam pelo fundo.

Ao acompanhar essa acumulação, Hongwan Xiao, investigador de doutoramento da Central South University (CSU), demonstrou que a massa deslizava na direcção da saída, em vez de ser elevada e removida.

Apenas uma pequena parte subia pelas aberturas da cabeça de corte, enquanto a maior parte da rocha se acumulava numa camada persistente na zona inferior.

Este comportamento coloca a velocidade de rotação e o caudal accionado pelas bombas no centro da análise, pois são estes factores que determinam se os detritos saem da câmara ou se se vão acumulando.

Quando a velocidade prejudica

A rotação mais rápida da cabeça de corte, a face frontal giratória que morde a rocha, tornava o escoamento aparentemente organizado, mas reduzia na realidade a remoção de detritos.

Quando a velocidade ultrapassava 1.2 rotações por minuto, o escoamento circunferencial - o líquido a circular junto à parede da câmara - passava a dominar.

Esse movimento lateral mantinha os fragmentos em circulação dentro da câmara, em vez de os conduzir à abertura destinada a expulsá-los.

Os operadores não conseguiam resolver o encravamento limitando-se a aumentar a rotação, uma reacção comum quando o avanço começa a abrandar.

Bombas com efeitos opostos

As regulações das bombas eram determinantes porque a câmara não funcionava como um único reservatório de lama em movimento.

Um caudal maior através da Bomba 0.1 ajudava a arrastar a rocha fragmentada para o lado de descarga, onde a sucção conseguia finalmente captá-la.

O aumento do caudal na Bomba 0.2 produzia o efeito contrário, orientando o material para padrões que o mantinham a circular e a sedimentar.

Assim, pequenas alterações no ponto de entrada do líquido na máquina mudavam se os detritos eram evacuados ou se apenas continuavam a mover-se no interior.

Um único jacto faz diferença

Um jacto de recirculação independente, que devolve líquido à câmara, revelou-se uma das correcções mais simples. Inclinar esse jacto 30 graus para baixo permitiu dirigir a força para a camada baixa de detritos, em vez de a aplicar acima dela.

Com cerca de 20 000 litros por minuto, o fluxo ajustado elevou a descarga de detritos em 5.8 percent sem exigir o redesenho de toda a máquina.

Este resultado é relevante porque as equipas conseguem frequentemente reajustar jactos e bombas muito antes de poderem alterar o equipamento.

Custos no subsolo

A lama com elevada concentração de rocha pode desgastar tubagens, cortadores e paredes da câmara, pois os fragmentos retidos continuam a raspar as mesmas superfícies.

Um caso de campo na China concluiu que cotovelos e curvas se desgastavam mais depressa do que os troços rectos durante a abertura de túneis com lama rica em rocha.

As interrupções repetidas para limpeza também consomem tempo de trabalho, uma vez que as equipas têm de desobstruir câmaras compactadas antes de a máquina poder avançar novamente em segurança.

O encravamento é dispendioso não apenas por atrasar o progresso, mas também porque cada demora pode provocar mais desgaste que terá de ser reparado mais tarde.

Porque importa a dimensão

As máquinas maiores enfrentam um problema aritmético simples: um corte mais largo produz mais rocha fragmentada sempre que a frente roda.

No Túnel da Baía de Haizhu, em Guangzhou, no sul da China, a secção de escudo estendeu-se por cerca de 2.1 km, com máquinas de aproximadamente 15 metros de diâmetro.

Foi a primeira secção de escudo ultragrande de Guangzhou, uma escala suficiente para amplificar todos os problemas de circulação interna.

À medida que os diâmetros dos escudos aumentam para atravessamentos de rios e mares, o transporte no interior da máquina torna-se tão importante como a potência de corte.

Uma visão do sistema completo

Os modelos anteriores acompanhavam apenas a cabeça de corte ou a câmara traseira, deixando parcialmente ocultas as ligações entre ambas.

Um artigo do mesmo círculo de investigação da CSU identificou concentrações de solo pesado junto ao centro e à extremidade da cabeça de corte.

Essa perspectiva local ajudou a explicar onde começa a obstrução, mas continuava a ignorar a forma como as escolhas relativas às bombas redireccionam o material mais adiante.

O novo estudo foi importante por seguir os mesmos detritos ao longo de todo o trajecto até à tubagem de descarga.

As soluções anteriores ajudaram

Outro estudo sobre uma porta de sucção melhorou a descarga na câmara situada atrás da face de corte ao deslocar a abertura para a frente.

Essa alteração aumentou a descarga em 75.19 percent e reduziu a acumulação na câmara em 84.70 percent em condições de argila.

Ainda assim, uma solução localizada não conseguia explicar por que razão os detritos continuavam a parar noutros pontos quando toda a rede de tubagens entrava em funcionamento.

O novo trabalho partiu dessa lição da CSU, tratando a máquina como um sistema de transporte interligado, e não como vários pontos problemáticos independentes.

Do modelo à aplicação

Como a equipa da CSU testou uma réplica virtual à escala real, as suas recomendações ficaram suficientemente próximas das condições de campo para serem experimentadas no local.

As equipas aplicaram com sucesso o esquema optimizado no terreno, reduzindo o problema de retenção sem esperar por um novo desenho de máquina.

Os resultados continuam a depender da geologia local, pois o arenito lamacento e outros tipos de terreno originam partículas com tamanhos, aderência e padrões de desgaste diferentes.

Mesmo com esta limitação, o estudo oferece aos construtores uma primeira medida menos dispendiosa: ajustar o caudal, o ângulo e a velocidade antes de encomendar novo equipamento.

O que isto significa

Estes resultados apontam para uma verdade incómoda: as tuneladoras gigantes falham menos por causa da rocha dura do que por uma circulação deficiente no interior da lama em movimento.

Para os construtores que planeiam túneis cada vez maiores, os próximos ganhos poderão resultar de um controlo mais inteligente do escoamento interno, e não apenas de motores mais potentes.