1.1 Um túnel é um sistema complexo
Um túnel constitui um “sistema complexo”, resultado da interação de um número elevado de parâmetros. Estes parâmetros podem ser agrupados em subconjuntos. No gráfico abaixo (fig. 1.1-1) estão representados os principais subconjuntos.
Todos estes parâmetros são variáveis e interativos, dentro de cada subconjunto, e entre os vários subconjuntos.
A ponderação relativa dos parâmetros e o seu caráter variam de acordo com a natureza de cada túnel. Por exemplo:
- os critérios determinantes e a ponderação dos parâmetros não são os mesmos para um túnel urbano e para um túnel de montanha;
- os parâmetros diferem de um túnel pequeno para um túnel mais extenso, de túneis atravessados por veículos de transporte de mercadorias perigosas para túneis atravessados apenas por veículos de passageiros;
- os critérios não são os mesmos para um túnel recém construído ou para um túnel a reabilitar ou a modernizar em conformidade com novas normas em matéria de segurança.
Fig. 1.1-1: Esquema dos principais subconjuntos do "complexo sistema de um túnel"
Nota 1: as ligações são múltiplas e frequentemente reversíveis – o conceito geral do túnel e a secção funcional estão posicionadas no centro da figura. Podem ser concebidos diagramas similares posicionando outros fatores no centro da figura.
Note 2: o primeiro círculo representa os “domínios técnicos”. Alguns domínios abrangem vários aspetos:
- segurança: regulamentação – análise do risco – meios de intervenção – exigência de disponibilidade,
- geologia: geologia - geotecnia- dimensionamento da estrutura,
- engenharia civil: métodos – programação da construção – riscos e perigos,
- exploração: técnicas de exploração e de manutenção (aspetos técnicos),
- custos: construção – exploração – conservação corrente – grandes reparações,
- ambiente: regulamentação – diagnóstico – avaliação de impactes – tratamento e mitigação,
Nota 3: o segundo círculo representa o “contexto” em que o projeto será desenvolvido. Alguns elementos abrangem vários aspetos:
- ambiente humano: sensibilidade - urbanização – presença de edificações ou infraestruturas,
- ambiente natural: sensibilidade - água - fauna - flora – qualidade do ar - paisagem,
- caraterísticas do transporte: natureza e volume do tráfego - tipologia – tipo de mercadorias transportadas - etc.
- restrições externas diversas: acessos e restrições particulares – condições climatéricas - avalanches – estabilidade do terreno – contexto socioeconómico - etc.
- nível de rentabilidade: aceitação económica - capacidade de financiamento – controlo dos custos financeiros – contexto económico e político geral no caso de concessão ou de Parceria Público Privada (PPP).
O projeto de um novo túnel (ou a reabilitação e beneficiação de um túnel existente) exige a consideração de um grande número de parâmetros. A árvore de decisão referente a estes parâmetros é complexa, e requer interventores pluridisciplinares com grande experiência. A sua intervenção deve iniciar-se o mais cedo possível, pelas seguintes razões:
- permite que todos os parâmetros relevantes sejam considerados desde o início do projeto, e evita numerosos erros potenciais observados em projetos em curso ou em túneis recentemente concluídos. Entre estes erros, incluem-se a consideração tardia da inclusão do equipamento de exploração e de segurança necessário, bem como o desenvolvimento de um sistema de supervisão que não integra os resultados de análises de risco, o plano de emergência ou os procedimentos de exploração. Como consequência, o túnel e os respetivos sistemas e equipamento de exploração e de supervisão, podem não ser adequados para uma exploração segura e fiável.
- uma intervenção precoce contribui para uma melhor otimização do projeto, tanto da perspetiva da segurança como do ponto de vista dos custos de construção e exploração. Exemplos recentes mostram que otimizações transversais (engenharia civil – ventilação – evacuação de segurança), efetuadas em fases iniciais do projeto, podem contribuir para uma redução dos custos na ordem dos 20%.
Cada túnel é único e é necessário desenvolver uma análise específica adaptada a todas as condições específicas e particulares. Esta análise é fundamental para a obtenção das respostas apropriadas e para permitir:
- a otimização do projeto, dos pontos de vista técnico e financeiro;
- a redução dos riscos técnicos, financeiros e ambientais;
- a garantia aos utentes do nível de segurança exigido.
Não existe uma “solução mágica”, e um simples processo de “corte e colagem” é quase sempre inadequado.
O projeto e a otimização de um túnel requerem:
- um inventário exaustivo e detalhado dos parâmetros,
- uma análise das interações entre os parâmetros,
- a avaliação do grau de flexibilidade de cada parâmetro e, caso seja necessário, a sensibilidade de cada um em relação aos objetivos a atingir,
- uma abordagem holística para se alcançar o sucesso, uma vez que:
- uma abordagem puramente matemática não é possível, dado que o “sistema” é demasiado complexo, e não existe uma resposta única;
- existem demasiados parâmetros indeterminados ou variáveis nas fases iniciais de um projeto, mas, ainda assim, existem escolhas essenciais que têm de ser feitas a esse nível de análise;
- a avaliação dos riscos, da respetiva gravidade e da probabilidade de ocorrência têm de ser tomadas em consideração;
- muitos parâmetros são interdependentes e muitas interações são circulares.
Nos parágrafos que se seguem são enunciados vários exemplos que demonstram a complexidade, a interatividade bem como o caráter iterativo e “circular” da análise.
Estes exemplos não são exaustivos. Têm como único objetivo sensibilizar o leitor para as matérias e permitir focar as reflexões especificamente em cada túnel.
1.1.2.1. Parâmetros
O quadro 1.1-2 abaixo apresenta, a título exemplificativo, os principais parâmetros relativos aos aspetos referentes à engenharia civil:
Quadro 1.1-2 : Principais parâmetros referentes a engenharia civil
Quadro 1.1-2 : Principais parâmetros referentes a engenharia civil
- a primeira coluna do quadro indica os principais conjuntos de parâmetros,
- a segunda coluna do quadro indica os principais subconjuntos de parâmetros referentes a um conjunto principal,
- a terceira coluna enumera um determinado número de parâmetros elementares relativos a um subconjunto. A lista não é exaustiva,
- a quarta coluna do quadro indica, por conjunto ou subconjunto, os principais resultados ligados ao subconjunto.
1.1.2.2. Interações entre parâmetros
As interações entre parâmetros são numerosas e frequentemente ligadas por ligações circulares, tendo em consideração as sobreposições entre os vários parâmetros.
O exemplo abaixo (Quadro 1.1-3) refere-se às interações entre a ventilação, o perfil transversal e a segurança:
- a primeira coluna refere-se à ventilação. Os parâmetros indicados nesta coluna são os parâmetros elementares do quadro 1.1-2 para o subconjunto "ventilação",
- a segunda coluna refere-se ao perfil transversal. Os parâmetros resultam do quadro 1.1-2,
- a terceira coluna refere-se à segurança.
Quadro 1.1-3 : Interações entre parâmetros
A figura revela diversos parâmetros comuns a várias colunas (ver linhas) que criam interações circulares entre vários subconjuntos de parâmetros. Estas interações relacionam-se através de funções complexas, tornando praticamente impossível uma resolução puramente matemática do problema, pelo que tal resolução requer a definição de uma hierarquia entre os vários parâmetros, seguida da consideração de hipóteses para os parâmetros de hierarquia superior. Esta hierarquia difere de um projeto para outro, como se exemplifica:
- para um túnel pequeno ou de médio comprimento, unidirecional, o sistema de ventilação mais provável é a “ventilação longitudinal”. De facto, os ventiladores fixos ao teto têm, habitualmente, um impacto diminuto na dimensão do perfil transversal. Este pode, consequentemente, ser dimensionado inicialmente antes de se projetar a ventilação, mas tomando em consideração os outros parâmetros determinantes. O impacto da ventilação no perfil transversal será então verificado a posteriori,
- pelo contrário, se o túnel é muito extenso ou se o perfil transversal é retangular (falso túnel), o sistema de ventilação e as suas componentes (secção, número e natureza das eventuais condutas de ar – dimensão dos ventiladores, se for o caso - etc.) têm um impacto essencial na dimensão do perfil transversal. O sistema de ventilação terá de ser pré dimensionado no início da análise através de hipóteses preliminares sobre a dimensão do perfil transversal. A geometria do perfil transversal será, então, verificada.
O processo de resolução é iterativo e assente num primeiro conjunto de hipóteses, como os exemplos anteriores mostram. Este processo requer grande experiência transversal e multidisciplinar por parte dos engenheiros, que possibilite que sejam tidos em consideração os aspetos relevantes do projeto, com vista a obter uma melhor seleção das iterações sucessivas e a garantir a melhor otimização do projeto, de acordo com o nível de serviço e de segurança exigidos.
O quadro 1.1-4 apresenta um exemplo dos principais parâmetros referentes aos aspetos relativos à ventilação. Este quadro não é exaustivo.
Tal como no que se refere à “engenharia civil”, as interações entre parâmetros são numerosas. Os parâmetros estão também sujeitos a relações circulares.
O modo de resolução dos problemas é semelhante ao delineado acima para a "engenharia civil".
Quadro 1.1-4 : Principais parâmetros que influenciam a ventilação
Quadro 1.1-4 : Principais parâmetros que influenciam a ventilação
Estes parâmetros não constituem parâmetros fundamentais para a definição da secção funcional, com exceção de:
- canais técnicos ou galerias técnicas para a passagem de cabos, tubos para fornecimento de água ao sistema de extinção de incêndio,
- sinalização de orientação, de informação, de segurança ou instruções policiais. A sinalização pode ter, por vezes (falsos túneis), um impacto muito importante na geometria (distância entre a plataforma e o teto com um impacto provável no alinhamento vertical e na extensão do túnel). Isto pode, eventualmente, exigir uma otimização mais global, relacionada com a posição e/ou o projeto dos nós no exterior da obra.
Os "Equipamentos de exploração" constituem, por seu turno, parâmetros essenciais para o dimensionamento dos edifícios técnicos nos portais de entrada, de postos de transformação subterrâneos, do conjunto de espaços técnicos subterrâneos e dos diversos nichos. Frequentemente necessitam de disposições específicas no que se refere à temperatura, à climatização e à qualidade do ar.
Constituem, igualmente, parâmetros importantes em termos do custo de construção, exploração e manutenção.
Os "equipamentos de exploração" constituem parâmetros essenciais no que se refere à segurança nos túneis. Devem ser projetados, construídos e conservados tendo em atenção os seguintes objetivos:
- disponibilidade e fiabilidade, em particular no que se refere à alimentação e distribuição elétrica, bem como de todas as redes de comunicação,
- proteção contra o fogo de todo o equipamento, em particular dos principais cabos de alimentação e dos cabos de transmissão das redes,
- robustez do equipamento e dos seus componentes, de forma a garantir a sua duração, fiabilidade e a otimização dos custos em termos de exploração e manutenção,
- facilitação das intervenções de manutenção, com consequente impacto reduzido na circulação, bem como na segurança das equipas de manutenção e dos utentes, o que requer disposições específicas de projeto e acessibilidade a estes equipamentos,
- integração dos procedimentos de exploração e do plano de emergência na conceção do sistema de supervisão (SCADA), ergonomia das interações homem/máquina e assistência ao operador, particularmente durante um incidente.
1.1.5.1. Conceito "Segurança"
Fig. 1.1-5 : Fatores que afetam a segurança
As condições de segurança num túnel resultam de muitos fatores, tal como apresentado no capítulo 2 deste Manual. Para garantir as condições de segurança, é necessário tomar em consideração todos os aspetos do sistema constituído pela própria infraestrutura, bem como a sua exploração e intervenção, veículos e utentes (Fig. 1.1-5).
A infraestrutura é um parâmetro essencial do custo de construção. Contudo, se as seguintes disposições essenciais não forem tidas em consideração em paralelo, é possível investir massivamente na infraestrutura sem melhorar as condições de segurança:
- a organização, os meios humanos e materiais e os procedimentos de exploração e de intervenção,
- a formação do pessoal da área da exploração,
- a dotação dos serviços de emergência com material adequado e pessoal treinado,
- a comunicação com os utentes.
1.1.5.2. Em que medida estes parâmetros afetam o projeto de um túnel?
Os parâmetros relativos à segurança podem afetar o projeto de um túnel em maior ou menor grau. Nos quadros abaixo são apresentados alguns exemplos.
Nota: Os quatro quadros abaixo referem-se aos quatro campos principais representados na Fig. 1.1-5.
Fig. 1.1-6 : Principais impactos no projeto devidos à infraestrutura
Fig. 1.1-7 : Principais impactos no projeto devidos às condições de intervenção e à organização da exploração
Fig. 1.1-8 : Principais impactos no projeto devidos aos veículos
Fig. 1.1-9 : Principais impactos no projeto devidos aos utentes do túnel
Um túnel constitui um “sistema complexo”, pelo que se pode concluir especificamente que:
- abordar a conceção de um túnel exclusivamente do ponto de vista do traçado, de geologia ou da engenharia civil conduz a erros de projeto graves, que provavelmente tornarão o túnel menos seguro (possivelmente até perigoso) e dificultarão a sua exploração (tornando-o, talvez, até inoperável sob condições razoáveis),
- da mesma forma, abordar a conceção de um túnel exclusivamente do ponto de vista do equipamento de exploração, sem integrar uma análise, a montante, de questões ligadas à segurança e ao risco, à intervenção e exploração, também conduzirá a deficiências, que se manifestarão rapidamente com a entrada ao serviço do túnel,
- não tomar em consideração, desde a fase preliminar de projeto, todos os objetivos e restrições relacionados com a exploração e manutenção, conduzirá inevitavelmente ao aumento dos custos operacionais e à redução da fiabilidade global.
A abordagem parcial dos problemas é, infelizmente, ainda bastante frequente, devido à ausência de uma “cultura de túneis” suficiente por parte dos vários intervenientes na fase de conceção.
O domínio deste sistema complexo é difícil mas essencial, de forma a:
- encontrar a solução adequada para cada problema,
- assegurar que os utentes dispõem de um nível básico de segurança, e oferecer-lhes um serviço de qualidade e com condições de conforto adequadas.
De forma paralela, o controlo deste sistema complexo contribui frequentemente para a otimização técnica e financeira do projeto, definindo claramente e desde uma fase inicial as funções a assegurar e suportadas num processo de «engenharia de valor».
A tomada em consideração, desde o início do projeto, das principais questões relativas:
- aos traçados em planta e em perfil longitudinal, geologia, disposições e métodos construtivos em engenharia civil,
- à ventilação,
- à segurança (através de uma análise preliminar dos riscos e do perigo e de um plano de emergência preliminar),
- às condições de exploração e manutenção,
constitui uma abordagem eficaz para a resolução desta equação complexa.
