Por Adriano Dornfeld Saldanha – Gerente Comercial do Segmento de Túneis da MC

O Stuttgart 21 (ou simplesmente S21) é um dos maiores projetos de engenharia atualmente em curso na Europa, com diversas obras realizadas na cidade alemã de Stuttgart e em seus arredores, que tem, entre muitos objetivos, a meta de otimizar a infraestrutura local de transporte. Uma das características mais marcantes do projeto é a previsão de ligações entre a cidade, lar de montadoras consagradas como a Mercedes Benz e a Porsche, e vias de trens transcontinentais ligadas aos cantos mais remotos da Europa. Quando o S21 estiver concluído, Stuttgart vai se tornar um dos hubs ferroviários mais importantes e modernos do continente, além de um centro industrial ainda mais relevante.

No segundo semestre de 2019, o S21 atingiu um novo marco: a conclusão da perfuração dos túneis ferroviários Filder e Albvorland, com direito à cerimônia oficial e à presença de cidadãos, operários, engenheiros, autoridades e políticos. O fim da perfuração representou a conclusão de um trabalho de quase cinco anos em que colaboradores de diversos setores ajudaram a concretizar etapas cruciais de um dos projetos de infraestrutura mais monumentais da atualidade.

MEGAPROJETO ALEMÃO

Com orçamento estimado em 8 bilhões de euros, as obras de transporte e desenvolvimento urbano do S21 pretendem, entre outros objetivos, transformar a região de Stuttgart num hub ferroviário internacional de transporte de mercadorias e pessoas. O projeto prevê a construção de 100 km de trilhos compatíveis com trens de alta velocidade. O trecho terá um sistema de gestão de tráfego inteligente e três estações construídas dentro dos mais modernos padrões já estabelecidos para edificações ferroviárias. A ampliação da infraestrutura ferroviária deve estimular, não só a atividade industrial, mas o desenvolvimento da região central de Stuttgart.

A expectativa é que a área central da cidade – onde ficam os grandes prédios de escritórios e residenciais de alto padrão – seja ampliada em 40% com novas construções nas adjacências da linha férrea que passa a servir a região. A empresa responsável pelo projeto é a concessionária Deutsche Bahn. O governo federal alemão, o governo da província de Baden-Württemberg, a autoridade de trânsito de Stuttgart, a administração municipal, a concessionária aeroportuária Flughafen Stuttgart GmbH e a União Europeia são as financiadoras do S21.

Além dos túneis Filder e Albvorland, o S21 também inclui uma série de outros subprojetos, entre eles: o anel ferroviário de Stuttgart, a nova linha férrea Stuttgart-Ulm – que terá vários túneis – e o rebaixamento da estação ferroviária central da cidade. Os dois primeiros projetos têm grande envolvimento da MC.

ALTA DEMANDA EM DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO

A perfuração dos túneis Filder e Albvorland foi realizada com um TBM (Tunnel Boring Machine – máquina tuneladora, usada para escavação de túneis com secão transversal circular, apreciada por sua versatilidade, segurança e eficiência em diversos tipos de solos e rochas) do tipo EPB (Earth Pressure Balance – tipo de tuneladora que usa um método no qual o material escavado é utilizado para apoiar a face do túnel, enquanto está sendo condicionado com espuma ou lama e outros aditivos para torná-lo maleável e transportável; o material entra na máquina por um parafuso de rosca sem fim que permite que a pressão na face do TBM permaneça equilibrada, sem o uso de lama). As condições geológicas do solo não permitiram que as linhas férreas do Filder pudessem ser posicionadas numa única cavidade, como na maioria dos túneis.

Os engenheiros tiveram que escavar dois túneis singelos, um para cada via. Cada um tem 10,87 m de diâmetro, com profundidade variando entre 20 e 220 m abaixo da linha do solo. A extensão total do Filder é de 9.468m, o que faz dele o maior túnel do S21. Quando concluído, será também o maior túnel singelo ferroviário da Alemanha e a terceira estrutura subterrânea mais longa do país.

O túnel Albvorland foi construído com técnicas similares às do Filder. Também nele há dois túneis singelos, de 10,87 m de diâmetro cada. A extensão é próxima de 8.000 m e a profundidade varia entre 8 e 63 m. O terceiro maior túnel do S21 é o Bossler, construído na região de Jura, precisamente na cidade de Aichelberg, e totaliza 8.806m de extensão. Também são dois túneis singelos, com 10,87m de diâmetro e profundidade máxima de 280m. O Bossler integra a ferrovia que liga Wendlingen a Ulm. Quando pronto, será uma das obras de engenharia mais complexas da Alemanha pelos desafios que impôs a seus construtores.

DESAFIOS GEOLÓGICOS

Os desafios de construção desses túneis foram muitos. O Filder, por exemplo, foi perfurado em boa parte de sua extensão ao longo de uma formação de rocha sedimentar com alto teor de anidrido. Esse tipo de formação rochosa é comum em várias partes do mundo e tem alta prevalência nos planaltos ao sul de Stuttgart. O anidrido representa um desafio extra à construção de túneis porque, em contato com a água, expande-se em mais de 60%, provocando uma pressão enorme sobre a estrutura do túnel.

A pressão é tão forte que pode tanto danificar o túnel, como provocar movimentações de solo para cima, nos casos em que o túnel resiste, com potencial para inutilizar por completo construções na superfície. A perfuração do Filder no trecho de anidrido foi realizada com o TBM em modo aberto, ou seja, sem o anel de aço que protege o equipamento do contato com o solo. Havia uma proteção mínima logo atrás da cabeça de corte.

Nas áreas de rocha, devido ao anidrido, o uso de injeções de consolidação de solo diluídas em água foi estritamente proibido. A técnica correta exige a injeção de grautes especiais para a estabilização do solo, seguida da montagem das aduelas de concreto. A Deutsche Bahn solicitou o desenvolvimento de um graute específico para a perfuração do Filder. Tinha de ser uma solução que eliminasse o risco de pressões sobre o túnel e de deslocamento do solo.

SOLUÇÃO DESENVOLVIDA PARA O S21

O consórcio ATCOST 21, responsável pela construção do Filder, solicitou o desenvolvimento de um graute especial para viabilizar a perfuração com segurança. O graute teria de contar com geopolímeros na formulação. Os geopolímeros são ligas químicas inorgânicas que se conectam umas às outras de forma similar às moléculas do cimento. Mas contém aluminossilicatos, que, em meio alcalino, dão origem a polímeros inorgânicos. O graute especialmente desenvolvido para a ATCOST 21 tem, entre suas características, o fato de ser um produto 2 em 1: pode ser usado como um prático graute monocomponente, dependendo da aplicação, ou como bicomponente, compondo uma argamassa ainda mais potente e reativa quando misturada a um aditivo. Na camada base, utilizou-se a versão mais reagente do composto.

O graute foi reforçado com agregado inerte, obtido de rochas da região, e acrescentou-se escória de alto-forno e cinza-volante, que interagem com o aditivo, deixando a mistura ainda mais resistente depois de endurecida. O graute desenvolvido contém também compostos fosfatados, que interagem com a rocha anidrica evitando sua expansão. A eficácia desses compostos foi comprovada em vários testes realizados pela MC e pela construtora PORR Bau GmbH, que patentearam a tecnologia para uso em outros projetos. O produto é diferenciado por ser imune a sulfatos e extremamente resistente.

EFICÁCIA COMPROVADA

A complexidade técnica da perfuração do Filder e a ampla cobertura dada pela mídia a cada avanço do S21 fizeram a ATCOST 21 certificar-se duplamente de que a solução proposta funcionaria. O consórcio solicitou ao Departamento de Edificações da Universidade de Aachen a realização de uma investigação geológica independente na escavação, para determinar as reações reais do anidrido que ocorreriam na camada-base do túnel a partir da injeção do graute.

O escritório de engenharia Brameshuber & Uebachs Ingenieure GmbH executou as análises ambientais solicitadas pela investigação. O Departamento de Tecnologia de Materiais de Construção da Universidade de Bochum analisou os aspectos técnicos da camada-base formada com o graute dentro dos critérios mais rigorosos atualmente estabelecidos para este método construtivo. Os testes levaram mais de dois anos para serem concluídos, o que mostra o rigor técnico das concessionárias responsáveis. Foram admitidos apenas os testes realizados em larga escala e no solo da escavação. Só depois de tudo isso feito é que a Deutsche Bahn autorizou o emprego da solução nos túneis do S21.

Mas não demorou até que os engenheiros comprovassem o desempenho superior do graute em sua versão aditivada para a composição de camadas-base de perfuração. Mesmo com agregado granular misturado à massa, o aditivo reagente pôde ser incorporado ao graute sem grandes problemas, a partir da instalação de uma unidade de mistura auxiliar no TBM. Com isso, a execução da camada-base ocorreu sem intercorrências e segundo as rigorosas especificações do projeto. A utilização de agregado não reativo ampliou bastante a trabalhabilidade do graute, o que, por sua vez, permitiu que a perfuração fluísse de forma coordenada em cada etapa. O novo graute de injeção bicomponente provou-se flexível e eficiente nos túneis do S21 e, desde então, vem sendo cada vez mais adotado em projetos semelhantes globalmente.

PROPRIEDADES DE ASSENTAMENTO OTIMIZADAS

A experiência adquirida no desenvolvimento do graute especial aditivado para o túnel Filder ajudou a otimizar a versão convencional do produto, que foi utilizado com muito sucesso na perfuração do Albvorland, entre Wendlingen e Kirchheim unter Teck. Nesse trecho em particular, as condições do solo permitiram ao TBM avançar mais rapidamente que no túnel Filder. A injeção do graute, portanto, precisava ser mais rápida. Era preciso otimizar as propriedades do graute monocomponente para ser utilizado nessas condições.

A solução encontrada foi o desenvolvimento de um modificador de viscosidade, que foi adicionado diretamente no bico da linha de injeção do TBM. Os testes no S21 indicaram ainda que o produto seria capaz de eliminar a ocorrência de subsidência no graute, além de otimizar o processo de acomodação e secagem. A versão customizada do graute foi aplicada de forma contínua ao longo de toda extensão de 8.000m do Albvorland.

EFICIÊNCIA EM CONDICIONAMENTO DE SOLO

No trajeto do túnel Filder, além de prevalência de rochas com alto teor de anidrido, o solo a ser perfurado intercalava trechos de perfil sedimentar e arenoso, com partes de argila densa e rocha dura, a combinação perfeita para o rápido desgaste das ferramentas de corte do TBM. Esse cenário demandou dos engenheiros especial atenção quanto ao condicionamento do solo. Desafio similar se apresentou na perfuração do túnel Albvorland. Só que nesse túnel havia um risco adicional: o Albvorland, em determinado ponto, iria cruzar com uma importante via de transporte, a Rodovia A8, apenas 8 m abaixo da linha do solo, composto majoritariamente por argila e rocha.

No túnel Bossler, integrante da linha férrea Stuttgart-Ulm, nas proximidades de Al-baufstieg, um dos trechos apresentava um perfil de solo instável, com prevalência de falhas e com pontos de contato com o lençol freático, pelos quais a água se infiltrava no túnel. Nessas condições, os engenheiros foram obrigados a utilizar um TBM do tipo EPB. A couraça seria responsável por manter o solo estável à medida que a perfuração avançava, até que as aduelas de concreto fossem mecanicamente instala- das nas paredes do túnel, estabilizando a estrutura e o solo acima dela.

Enquanto o TBM escavava, na parte externa da couraça, por meio de uma série de linhas de tubos injetores, entrava em ação a chamada tecnologia de equilíbrio de pressão do solo (EPB), fundamental quanto à segurança na construção de túneis no subsolo de áreas densamente habitadas ou em formações geológicas com alta instabilidade. Nesse equipamento foi utilizado, no túnel da linha férrea Stuttgart-Ulm, a linha de agentes de condicionamento de solo e um gerador de espuma (Cell Tube), que propicia a formação de uma espuma estável quanto às dimensões das bolhas. Apresenta, dessa forma, um alto rendimento quanto ao consumo, exigindo uma menor manutenção no TBM e permitindo uma continuidade de perfuração mais constante.

LUBRIFICAÇÃO IDEAL

O agente de condicionamento de solo mais utilizado nas obras do S21 foi o Foam Liquid. Não agressivo ao meio ambiente, ele forma uma espuma concentrada, que se degrada biologicamente e com rapidez. O produto também apresenta um aditivo que melhora o desempenho da consolidação em solos com maior prevalência de argila, onde a probabilidade de adesão de argila pegajosa nas ferramentas de corte (efeito clogging) é grande.

Dessa forma, ao tornar o avanço mais eficiente e diminuir o acúmulo de argila nas lâminas de corte, o produto também economiza energia, diminuindo o torque do equipamento, contribuindo para o bom andamento da velocidade da obra e para a manutenção do projeto dentro do orçamento previsto.

ADITIVO SUPERPLASTIFICANTE DE ALTO DESEMPENHO PARA ADUELAS DE CONCRETO

As aduelas de concreto pré-moldado que compõem as paredes do túnel Bossler foram fabricadas pela concreteira SEMPER BETON GmbH & Co. KG, integrante do consórcio ARGE PTS Bosslertunnel, com aditivos superplastificantes de alto desempenho. Esses aditivos contam com a mais moderna tecnologia de ésteres policarboxilatos, que agem na formulação de concreto para garantir superfícies de alta qualidade, diminuir a necessidade de água na usinagem e manter o processo de fabricação das peças funcional e econômico.

EM RESUMO...

No megaprojeto Stuttgart 21, uma série de tecnologias e sistemas de produtos da MC foram utilizados, desde soluções para consolidação do solo, passando por aditivos superplastificantes para produção das aduelas pré-moldadas, até sistemas de injeção para impermeabilização de estruturas e moderno graute sem cimento para a confecção do backfill grout (camada de consolidação que separa a aduela de concreto do solo). Essas tecnologias e sistemas revelaram-se fundamentais ao sucesso do projeto e à satisfação do cliente com os resultados, possibilitando que muitos desafios fossem superados e que as construções avançassem sem intercorrências.