Um conceito de tuneladora com jato de água e fio diamantado como princípio de corte de rochas brandas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Santos, Rafael Pacheco dos
Data de Publicação: 2017
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/188520
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2017.
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spelling Um conceito de tuneladora com jato de água e fio diamantado como princípio de corte de rochas brandasEngenharia civilTúneisRochasDemoliçãoTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2017.As tuneladoras são amplamente utilizadas em obras ao redor do mundoe mostram-se excelentes escolhas para túneis urbanos ou com grandecobrimento, além de ser a melhor opção para túneis em rocha comcomprimento superior a 1,5 km. Tais equipamentos têm a sua origem noconceito proposto por Brunnel no século dezoito e evoluíram até oconceito proposto por Robbins na década de cinqüenta do séculopassado. Com exceção dos desenvolvimentos das tuneladoras DOT eDPLEX, desde então não foi introduzida nenhuma inovação radical noprincipio de corte desses equipamentos. Em face da obvia oportunidadede inovação e dos desafios por maior eficiência, há a necessidade dodesenvolvimento de uma nova família de tuneladoras que reneguegrandes dimensões, pesos enormes e alta potência de funcionamentocomo características principais. Esse novo jeito de construir tuneladorasexige a quebra dos tradicionais paradigmas que conduzem o processo amais de setenta anos. Uma alternativa é a procura de tecnologiasalternativas capazes de transferir energia sem contato mecânico com omaciço rochoso. Diversas opções têm sido estudas. Elas sãoclassificadas em métodos químicos, por lascamento térmico, porvaporização (ou fusão) e métodos mecânicos. Enquanto os métodosquímicos sofrem com problemas ambientais e de segurança, os métodosde vaporização e lascamento térmico tornam-se inviáveis devido ao altoconsumo energético. Uma exceção é a tecnologia de jato de água de altapotência. Apesar de ser utilizada para escavações desde o séculodezoito, foi somente nos anos setenta que o jato de água tornou-se parteintegrante de equipamentos de escavação de alta complexidade.Atualmente a tecnologia de corte de rocha por jato de água éconsiderada de baixo impacto ambiental e promissora para aplicaçõesem engenharia civil e de minas. Um importante inconveniente,entretanto, é a alta demanda energética. Apesar de não tão alta como ademanda dos processos que envolvem introdução de calor, ela pode ser10 ou 100 vezes superior a energia demandada pelos tradicionais discosde corte. Uma solução para esse problema é combinar jato de água e fiodiamantado como princípio de corte. A combinação de ambas astecnologias já se mostrou a mais adequada em relação à demandaenergética na lavra de rochas ornamentais quando comparada comoutras opções. Além disso, a utilização de jato de água e fio diamantadojá se mostrou viável em escavações de perfil fechado. Aspectoscomerciais da introdução de uma nova tecnologia devem serconsiderados também. O modelo de negócio adotado pelas fabricantesexige a constante substituição de peças como os discos de corte. Taiscomponentes, além da assistência técnica, têm o custo muito alto aofinal da obra e geralmente ultrapassam o valor de aquisição do próprioequipamento. Outra característica é que o número reduzido defabricantes (geralmente localizados nos EUA, Europa ocidental e Ásia)dificulta a livre concorrência. Dessa forma a introdução de novastecnologias exigirá que esse mercado já consolidado comporte-se demaneira diferente. Esse trabalho visa aproveitar justamente essaoportunidade propondo uma tuneladora que utiliza jato de água degrande potência combinado com estações de corte de fio diamantado emuma cabeça de corte em dois estágios. O processo de desenvolvimento,baseado no método de desenvolvimento de produto PRODIP, permitiu aa concepção de uma máquina mais leve, menor e mais barata, além deum inovador ciclo operacional. Uma estimativa teórica do desempenho(taxa de avanço e custo operacional primário) também é abordada.Enquanto a taxa de avanço mostrou-se bastante animadora para rochasbrandas, mostrou-se insuficiente para rochas duras. Já os custos foramsuperiores em ambas as análises, porém relativamente competitivos pararochas brandas.Abstract : Tunnel boring machines are widely used around the world and they area good choice for urban tunnels or high cover, besides to be the bestoption for rock tunnel with length over 1.5 km. These equipments havetheir origins in the eighteen century with Brunnel s concept and evolvedtill Robbins s concept, with better advanced rate and reliability. Withthe exception of development of DOT and DPLEX machine in Asia, nomore radical innovation in operation principle has been introduced inthis sector. Facing the obvious opportunity for innovation and thechallenge of more efficiency, there is the necessity of a new family ofTBMs which denies the great power, components with large dimensionsand excessive weights as its main characteristics. This new way to buildTBMs requires the paradigms break that has been followed for morethan seventy years. One alternative is looking for exotic technologiescapable of transferring energy from the machine to the rock withoutmechanical contact. Several options has been studied. They wereclassified as chemical reaction, thermal spalling, fusion (or vaporization)and mechanical rock cutting methods. While chemical reaction methodssuffers with safety and environment problems, fusion and thermalspalling methods have high energy demand which became unpromisingalternatives. One exception is the high power water jet technology (WJ).Although it is used for excavation propose since the eighteenth century,only in seventy year that water jet has began to be used as assistant rockbreaking technology in more complex application. Nowadays the highpower water jet technology can be considered as a promising anenvironmental friendly technology for mining and engineeringapplications. However important drawback is energy demand which ishigher than other mechanical methods. It is possible to say that water jetdemands 10 or 100 more energy to break rock than disc cutter. Thecombination, however, of water jet with diamond wire is a possibility ofminimizing this problem. The combination of water jet with diamondwire is the best energy demand combination for quarries if comparedwith others traditional alternatives. In the same way it is possible to saythat the high pressure water jet cutting system combined with the othertraditional environment friendly technologies like diamond wire, drillingand scratches expansion devices, allows the execution of vertical andhorizontal cuts in continuous cycle. Commercial aspect should be notedtoo. The tunnel boring industry is dominated by just a few companiesoriginated in USA, Western Europe and Asia. The model businessadopted by this industry requires constant replacements of cutter disc4and specific labor skills, usually offered by the same manufacturercompany. In some cases the cost of replacement parts and technicalassistance can be higher than acquisition. The Introduction of newtechnologies requires a new behavior of this addicted market. Theseworks handled with this opportunity, describing a new concept of tunnelboring machine which mix water jet and diamond wire in a two stagecutting face capable of executing non circular tunnels with highadvanced rate and competitive costs. The simple design together withlighter and smaller parts reduces the acquisition cost. The introductionof new players in the market can have a positive effect too. A new andinnovated operational cycle and design specification were elaboratedand are described. Geometrical characteristic and a performanceanalysis (advanced rate and primary excavation cost) are parts of thistext too. With high advanced rate and reasonable primary excavationcost, the new concept can be considered an alternative for tunnels in softrock and high porosity. However, for hard rock with low porosity theincrease of water jet performance is necessary.Noronha, Marcos Aurélio MarquesUniversidade Federal de Santa CatarinaSantos, Rafael Pacheco dos2018-07-21T04:03:56Z2018-07-21T04:03:56Z2017info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis185 p.| il., gráfs., tabs.application/pdf352520https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/188520porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2018-07-21T04:03:57Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/188520Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732018-07-21T04:03:57Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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