Engenheiros chineses implantam primeiro sistema de mistura ternária de gases para escavação com escudo do túnel ferroviário submarino recorde

Um avanço debaixo das ondas

A China implantou um sistema de escavação de túneis com escudo e mistura ternária de gases, o primeiro do género, para apoiar a construção do túnel submarino de Jintang, uma ligação ferroviária de 16,18 quilómetros que se tornará a mais longa passagem ferroviária de alta velocidade submarina do mundo. A tecnologia desenvolvida no país permite aos trabalhadores operar em segurança a pressões que ultrapassam largamente os limites tradicionais, assinalando um importante avanço na engenharia subterrânea. O sistema entrou em serviço ativo no troço do lado de Zhoushan do túnel, onde as equipas enfrentam algumas das condições mais exigentes alguma vez encontradas na construção ferroviária. Ao misturar hélio, azoto e oxigénio em proporções precisas, o equipamento sustenta a vida humana e o estado de alerta num ambiente onde as pressões da água e do solo atingem níveis normalmente associados à exploração oceânica profunda, e não à escavação de túneis.

No interior do mais longo túnel ferroviário submarino de alta velocidade

O túnel de Jintang ligará Ningbo e Zhoushan através de uma movimentada via navegável na província oriental chinesa de Zhejiang. Quando estiver concluído, o corredor de 16,18 quilómetros deterá o recorde mundial do túnel ferroviário submarino de alta velocidade mais longo, superando largamente as ligações ferroviárias submarinas existentes em extensão e complexidade. O projeto constitui um segmento crítico de uma rede de transportes mais vasta destinada a ligar mais estreitamente o continente a Zhoushan, uma cidade-arquipélago cujo isolamento geográfico há muito coloca desafios logísticos tanto aos passageiros pendulares como ao transporte de mercadorias.

As equipas de construção do lado de Zhoushan são responsáveis por um troço de escavação com escudo de 6.270 metros, uma distância que exige meses de escavação contínua através de geologia variável sob o leito marinho. As máquinas de escudo, frequentemente designadas máquinas de perfuração de túneis ou TBM, abrem passagens circulares enquanto instalam simultaneamente estruturas de suporte para evitar o colapso. Estes gigantes mecânicos dependem de cabeças de corte rotativas para triturar rocha e sedimentos, mas as ferramentas de corte desgastam-se e têm de ser inspecionadas ou substituídas regularmente. Realizar esta manutenção dentro de uma câmara pressurizada, bem abaixo da linha de água, está entre os trabalhos mais perigosos da engenharia civil.

Porque é que os métodos tradicionais esbarraram num muro

As operações em câmaras de pressão ultraelevada representam um dos desafios mais severos do setor da escavação de túneis com escudo. Durante décadas, as equipas recorreram a sistemas de ar comprimido para manter a água fora da câmara de escavação enquanto os trabalhadores entram para fazer a manutenção da cabeça de corte. As técnicas convencionais de ar comprimido têm um limite de pressão de segurança reconhecido de 0,5 megapascais. Acima deste limiar, o risco de doença de descompressão e de outros perigos fisiológicos aumenta acentuadamente, tornando a entrada humana proibitivamente perigosa.

O túnel de Jintang, no entanto, desafia esses velhos limites. O seu troço mais profundo situa-se 78 metros abaixo do nível do mar, onde a pressão combinada da água e do solo sobe até 0,85 megapascais. Para visualizar essa força, imagine cerca de 30 quilogramas de peso a fazer pressão sobre uma área não maior do que uma moeda de um yuan. Seria impossível que os trabalhadores suportassem essa concentração de pressão utilizando protocolos padrão de ar comprimido. O projeto exigiu uma abordagem fundamentalmente diferente ao suporte de vida e à gestão da pressão.

Inspiração nas profundezas do oceano

Perante esta barreira extrema, a equipa de construção não se voltou para a tecnologia mineira convencional, mas para o mergulho oceânico profundo. O mergulho de saturação e os sistemas de respiração com gás misto há muito que permitem aos mergulhadores comerciais trabalhar em profundidades oceânicas onde o simples ar comprimido seria letal. As mesmas regras fisiológicas aplicam-se quer um trabalhador esteja a reparar infraestruturas numa plataforma petrolífera ao largo quer a substituir componentes desgastados numa cabeça de corte de um túnel a centenas de metros abaixo do solo. Os engenheiros adaptaram estes princípios marítimos para criar um sistema de mistura ternária de gases de hélio, azoto e oxigénio especificamente concebido para a construção de túneis.

O hélio é o ingrediente que faz toda a diferença. Ao contrário do azoto, que constitui a maior parte do ar comum, o hélio possui baixa densidade e difunde-se rapidamente pelos tecidos. Sob pressão extrema, o gás respiratório normal faz com que o azoto se dissolva na corrente sanguínea em quantidades perigosas, provocando narcose, uma condição por vezes chamada de embriaguez das profundezas, que tolda o julgamento e abranda os tempos de reação. Um trabalhador confuso a centenas de metros abaixo do solo é um perigo para si próprio e para os colegas. O próprio oxigénio torna-se tóxico quando respirado a pressões parciais elevadas durante períodos prolongados. O hélio contorna ambos os problemas, proporcionando um meio mais seguro que mantém os trabalhadores mentalmente lúcidos e fisiologicamente estáveis enquanto trabalham em condições que espelham o fundo do oceano profundo.

A adaptação da tecnologia de mergulho à escavação de túneis reflete uma tendência crescente na engenharia de infraestruturas, em que as soluções atravessam cada vez mais fronteiras disciplinares. O que funciona para mergulhadores de plataformas petrolíferas ao largo pode, com modificações cuidadosas, proteger equipas de construção ferroviária a centenas de metros abaixo do solo. Esta convergência entre ciência marinha e engenharia civil poderá definir a próxima geração de projetos subterrâneos em regiões costeiras de todo o mundo.

Como funciona o sistema de mistura ternária de gases

O novo equipamento não é apenas um conjunto de garrafas de gás num carrinho. Integra dois módulos principais, um para mistura de gases e outro para fornecimento de gás, apoiados por 113 submódulos especializados que incluem centros de distribuição de gás, centros de abastecimento e aparelhos respiratórios individuais. Esta arquitetura modular permite um controlo preciso sobre a mistura de gases fornecida a cada trabalhador dentro da câmara pressurizada.

O sistema pode apoiar operações numa gama de pressão de 0,5 a 1 megapascal. Esse limite superior excede mesmo o máximo de 0,85 megapascais encontrado no túnel de Jintang, proporcionando uma margem de segurança para projetos ainda mais exigentes no futuro. Algoritmos de mistura de gás ajustam em tempo real as proporções de hélio, azoto e oxigénio para corresponder à pressão ambiente na frente de corte, garantindo que os trabalhadores recebem uma mistura respiratória ideal independentemente da profundidade do túnel.

Cada componente tem de resistir a ambientes corrosivos de água salgada, à vibração constante da máquina de perfuração e às tensões mecânicas das condições hiperbáricas. Os engenheiros conceberam sistemas de segurança redundantes para que uma falha em qualquer submódulo individual não comprometa o suporte de vida de toda a equipa. A monitorização remota permite às equipas à superfície acompanhar caudais de gás, níveis de pressão e sinais vitais individuais dos trabalhadores sem entrarem elas próprias na câmara.

Proteger os trabalhadores em condições extremas

A segurança continua a ser a preocupação central sempre que seres humanos entram numa câmara de escavação pressurizada. A narcose por azoto representa uma das ameaças mais insidiosas em ambientes de alta pressão. O gás inerte dissolve-se nos tecidos nervosos sob pressão, produzindo sintomas semelhantes aos da intoxicação alcoólica. Um trabalhador a sofrer de narcose pode sentir euforia ou desorientação, transformando uma manutenção de rotina numa aposta letal. O hélio não produz este efeito narcótico, razão pela qual os mergulhadores de oceano profundo e agora os trabalhadores de túneis dependem dele.

A toxicidade do oxigénio representa outro perigo. Embora o oxigénio seja essencial à vida, respirá-lo a pressões parciais elevadas durante períodos prolongados pode danificar os pulmões e o sistema nervoso central. Ao diluir o oxigénio com hélio e ao controlar cuidadosamente a fração da mistura, o sistema ternário evita a acumulação tóxica e continua a fornecer gás suficiente para sustentar trabalho físico intenso.

Os protocolos de descompressão também exigem uma gestão cuidadosa. Quando os trabalhadores terminam um turno, têm de subir através de uma série de fases de pressão para permitir que os gases dissolvidos saiam gradualmente do corpo. A descompressão rápida faz formar bolhas no sangue, desencadeando a doença de descompressão, uma condição dolorosa e potencialmente fatal. O sistema de gás misto suporta programas de descompressão controlada adaptados à carga específica de gás acumulada durante cada turno.

O que isto significa para as infraestruturas mundiais

A implantação bem-sucedida deste sistema chinês de escavação de túneis com escudo e mistura ternária de gases traz lições para projetos de infraestrutura em todo o mundo. Cidades costeiras de Tóquio a Nova Iorque enfrentam uma pressão crescente para expandir redes de transporte debaixo de vias navegáveis, mas muitas rotas potenciais encontram condições geológicas semelhantes às que existem sob o corredor de Ningbo-Zhoushan. A capacidade de trabalhar em segurança a pressões até 1 megapascal abre rotas anteriormente impossíveis, permitindo aos engenheiros considerar traçados mais profundos e diretos que reduzem os tempos de viagem e a perturbação ambiental.

No plano interno, a inovação reforça o papel de liderança dos engenheiros chineses na escavação de túneis em grande escala. O país já opera alguns dos sistemas de transporte subterrâneo mais ambiciosos do mundo, e esta tecnologia elimina um estrangulamento fundamental que tem limitado o desenvolvimento ferroviário submarino. Outros setores podem também beneficiar. A mineração subterrânea, a instalação de cabos submarinos e os projetos de perfuração científica envolvem todos ambientes hiperbáricos onde o suporte de vida com gás misto pode revelar-se valioso.

No caso específico do túnel de Jintang, o sistema garante que o troço de Zhoushan, com 6.270 metros, possa avançar conforme o planeado sem sacrificar a segurança dos trabalhadores em nome do progresso. Uma vez concluído, o túnel reduzirá drasticamente os tempos de viagem entre o continente e o arquipélago, apoiando a integração económica e o turismo em toda a província de Zhejiang.

O essencial

• A China ativou o seu primeiro sistema de escavação de túneis com escudo e mistura ternária de gases desenvolvido no país no projeto do túnel submarino de Jintang, na província de Zhejiang.
• O túnel de 16,18 quilómetros tornar-se-á o mais longo túnel ferroviário submarino de alta velocidade do mundo, ligando Ningbo e Zhoushan.
• Os métodos tradicionais de ar comprimido estão limitados a 0,5 megapascais, mas o troço mais profundo do túnel de Jintang atinge 0,85 megapascais a 78 metros abaixo do nível do mar.
• O novo sistema mistura hélio, azoto e oxigénio para criar condições de respiração mais seguras e prevenir a narcose por azoto e a toxicidade do oxigénio durante operações de pressão ultraelevada.
• Os engenheiros adaptaram tecnologias de mergulho em oceano profundo para desenvolver o sistema, que suporta operações entre 0,5 e 1 megapascal através de 113 submódulos integrados.