A colossal tuneladora que construiu a autoestrada subaquática de Hong Kong

Construir uma estrada debaixo do mar

A 27 de dezembro de 2020, Hong Kong abriu um novo tipo de artéria. A Ligação Norte do Tuen Mun–Chek Lap Kok Link atravessou o fundo do mar para ligar o noroeste dos Novos Territórios ao Aeroporto Internacional de Hong Kong e à Ponte Hong Kong–Zhuhai–Macau. No centro desse projeto estava a Herrenknecht Mixshield S-880, uma tuneladora chamada Qin Liangyu. Com um diâmetro de escudo de 17,63 metros, a máquina detém ainda o título do Guinness World Records de maior tuneladora por diâmetro de escudo. Era mais comprida do que um campo de futebol, mais pesada do que a maioria dos navios e foi construída para operar sob pressões que esmagariam equipamento comum. O túnel que escavou é agora o túnel rodoviário subaquático mais profundo, mais longo e mais largo de Hong Kong, parte de uma rota de 9 quilómetros que custou cerca de 18,2 mil milhões de HK$, cerca de 2,3 mil milhões de dólares norte-americanos.

O projeto nunca se resumiu a bater recordes. Foi uma resposta a uma cidade que precisava de melhor mobilidade entre terra, mar e ar. Um tubo duplo, totalizando cerca de 5 quilómetros de túnel subaquático, tinha de passar sob rotas de navegação, lodo macio do fundo do mar e ecologia costeira sensível. Construir esse tipo de túnel com métodos mais antigos teria implicado dragagens maciças, perturbação do tráfego marítimo e anos de conflito ambiental. A resposta foi uma única máquina de fabrico alemão que conseguia escavar, estabilizar e revestir o túnel à medida que avançava lentamente.

Porque é que a máquina tinha de ser tão grande

A escolha de um escudo de 17,63 metros veio do próprio terreno, não apenas da ambição da engenharia. Entre Tuen Mun e Chek Lap Kok, o fundo do mar esconde até 30 metros de depósitos marinhos e argilas aluviais. Estes solos são extremamente macios e saturados de água, o que torna a escavação de túneis instável. Em alguns locais, a rocha-mãe situa-se cerca de 90 metros abaixo do nível do mar. Uma tuneladora convencional teria dificuldade em lidar com a entrada de água e o colapso do solo. O projeto precisava de um design Mixshield, um tipo de máquina que consegue equilibrar a pressão na frente de escavação com uma mistura controlada de lama e ar comprimido.

O tamanho também resultou das exigências de tráfego. O túnel planeado precisava de um diâmetro interno de 15,6 metros para acomodar duas faixas de autoestrada em cada sentido, além de espaço de segurança, condutas de ventilação, sistemas elétricos e acesso de manutenção. Como a tuneladora instala segmentos pré-fabricados de revestimento de betão à medida que avança, o diâmetro externo do túnel tem de ser maior do que o interno. Acrescente-se a espessura dos anéis de revestimento, da saia traseira e da cabeça de corte, e o diâmetro de escudo necessário sobe para 17,63 metros. Isto é aproximadamente a altura de um edifício de seis andares a girar em círculo debaixo do solo. A Qin Liangyu foi dimensionada precisamente para esta geometria.

Como o Mixshield mantém o fundo do mar sob controlo

Uma tuneladora é frequentemente descrita como uma enorme broca, mas a S-880 funcionava mais como uma fábrica submarina móvel. Na sua frente, uma cabeça de corte rotativa raspava solo e rocha da frente do túnel. Atrás da cabeça de corte, a máquina tinha uma câmara de escavação cheia de lama de bentonite, um fluido espesso semelhante a argila, e uma almofada de ar comprimido. A lama pressionava a frente do túnel e impedia que a água do mar e o lodo irrompessem para dentro da máquina. O ar comprimido por cima da lama dava aos operadores controlo preciso sobre essa pressão. À medida que a cabeça de corte avançava, o material escavado misturava-se com a lama e era bombeado através de condutas para uma central de separação à superfície. Aí, a maquinaria removia as partículas de solo e devolvia a bentonite limpa ao subsolo.

Enquanto a frente da máquina continha a terra, a parte traseira instalava o revestimento do túnel. Um eretor robótico de segmentos levantava segmentos curvos de betão para formar anéis que constituíam as paredes do túnel. Cada anel suportava o terreno circundante e criava o cilindro liso que mais tarde albergaria estradas, luzes e ventilação. O processo exigia que todos os sistemas avançassem em sintonia: pressão, bombagem, química da lama, impulso hidráulico, entrega de segmentos e topografia. Se uma parte abrandasse, toda a operação parava. Esta abordagem integrada transformou uma única máquina numa linha de produção completa.

A pressão esmagadora de trabalhar debaixo do mar

A pressão hidrostática na frente de escavação atingia até 5 bar, equivalente a cinco vezes a pressão atmosférica ao nível do mar. É o mesmo tipo de pressão que um mergulhador sentiria a cerca de 50 metros de profundidade. Um relatório oficial do Serviço de Notícias do Governo de Hong Kong descreveu as condições desta forma:

A secção mais profunda do Túnel Tuen Mun-Chek Lap Kok situa-se cerca de 60 metros abaixo do nível do mar, e trabalhadores especializados em ambiente hiperbárico enfrentaram uma pressão quase seis vezes superior à da superfície.

Para manter os trabalhadores em segurança enquanto mantinha a pressão na frente de corte, a S-880 utilizou câmaras de eclusa de ar. Estes compartimentos selados permitiam que o pessoal passasse da pressão atmosférica normal para a câmara de escavação pressurizada por etapas. A manutenção das ferramentas de corte, as inspeções e as reparações exigiam que trabalhadores formados entrassem na zona pressurizada, seguissem protocolos rigorosos de medicina hiperbárica e descomprimissem lentamente para evitar a doença descompressiva. Os tempos de exposição eram limitados, e o trabalho exigia supervisão médica. As condições transformaram a manutenção normal do túnel numa operação semelhante a um mergulho.

Mudar de tamanho sem regressar à superfície

O capítulo mais invulgar do projeto surgiu após os primeiros 650 metros de escavação. A estrutura de aproximação norte exigia um diâmetro de túnel de 17,6 metros, pelo que a Qin Liangyu começou com o tamanho máximo. Após essa transição, o restante trajeto subaquático podia ser construído com um diâmetro de 14 metros. Em vez de içar a máquina até à superfície e lançar uma segunda tuneladora, os engenheiros converteram a S-880 dentro do próprio túnel. As partes externas do escudo de 17,6 metros foram removidas, os sistemas internos foram reconfigurados e um novo escudo de 14 metros foi instalado enquanto a máquina permanecia sob o fundo do mar.

Este tipo de redução do escudo dentro do túnel é extremamente raro. A operação teve de ser feita sob pressão do mar, com espaço limitado e sem acesso direto à luz do dia. Assim que a conversão ficou concluída, a mesma máquina continuou a escavar o resto do túnel, trabalhando lado a lado com uma segunda máquina Herrenknecht de 14 metros. As duas máquinas fizeram a ligação a 27 de fevereiro de 2019. A secção de 17,63 metros foi escavada entre 25 de março e 3 de novembro de 2015, antes de a conversão ser realizada. O processo foi documentado como um avanço aplicável a projetos futuros onde são necessários diferentes diâmetros de túnel numa única perfuração.

Inovação nas passagens transversais

Túneis rodoviários com dois tubos precisam habitualmente de passagens transversais, pequenos corredores de ligação que permitem a evacuação e a manutenção entre as duas galerias principais. A Ligação Tuen Mun–Chek Lap Kok exigia 57 destas passagens, e a pressão no seu local atingia 5,8 bar, acima do limiar de 3,6 bar em que a Herrenknecht recomenda a utilização de mergulhadores profissionais para trabalho em câmara pressurizada. A abordagem convencional em alguns túneis subaquáticos teria sido a congelação do solo, um método que estabiliza o terreno ao congelar a água no solo. Essa técnica teria sido lenta e arriscada em argila macia e saturada do fundo do mar.

A equipa utilizou, em vez disso, uma mini-tuneladora de lama de 3,6 metros, uma estreia mundial na construção de passagens transversais sob pressão tão elevada. A pequena máquina perfurou as paredes entre os dois tubos principais enquanto o sistema de lama circundante mantinha a pressão sob controlo. A solução evitou a necessidade de congelação, reduziu o tempo de construção e limitou o risco num ambiente onde água do mar, argila macia e pressão extrema se combinavam para criar um espaço de trabalho perigoso.

Velocidade, prémios e ganhos ambientais

Apesar da complexidade, a S-880 avançou rapidamente. O seu avanço diário máximo atingiu 30 metros, e o seu recorde semanal chegou a 167,2 metros. Estes números refletem não apenas a potência mecânica, mas também a coordenação logística necessária para manter um fornecimento contínuo de segmentos de betão, bentonite e peças de substituição a chegar à máquina. A American Society of Mechanical Engineers registou a máquina como tendo uma potência de 5 600 quilowatts e a capacidade de avançar cerca de 30 metros por dia em solo saturado e rocha.

O projeto recebeu o ITA Tunnelling Award em 2019 da International Tunnelling and Underground Space Association, reconhecendo as inovações técnicas utilizadas durante a construção. Outra solução premiada foi o sistema de ensecadeira tipo lagarta utilizado nas estruturas de aproximação norte, que oferecia uma alternativa à parede-diafragma convencional em solos muito macios. O argumento ambiental era igualmente importante. O Departamento de Estradas de Hong Kong escreveu numa reportagem de engenharia:

A utilização de tuneladoras em vez do tradicional método de tubo imerso reduziu a dragagem e a eliminação de cerca de 11 milhões de metros cúbicos de sedimentos marinhos, aproximadamente a capacidade de 4 900 piscinas padrão, e ajudou a minimizar o impacto sobre os golfinhos brancos chineses e outras formas de vida marinha.

A mesma nota oficial referia que o método reduziu a perturbação do tráfego marítimo intenso ao longo de Urmston Road e evitou a necessidade de desviar cabos elétricos submarinos existentes que servem o aeroporto. A ligação norte abriu ao tráfego a 27 de dezembro de 2020, enquanto a ligação sul já tinha começado a abrir em 2018, integrando a rota na rede mais ampla da Ponte Hong Kong–Zhuhai–Macau.

Um recorde que ainda define uma era

A S-880 Qin Liangyu já não é a máquina mais potente em todas as categorias técnicas. Nos últimos anos surgiram novas tuneladoras chinesas e internacionais com maior impulso, maior automatização ou diferentes designs de cabeça de corte. Mas o Guinness continua a atribuir à Qin Liangyu o recorde de diâmetro de escudo, e o projeto que concluiu continua extraordinário. Poucas outras máquinas combinaram um diâmetro tão grande, uma pressão subaquática tão profunda e uma conversão de escudo dentro do túnel numa única perfuração contínua.

A máquina representa também uma mudança mais ampla na forma como as cidades costeiras constroem infraestruturas. À medida que portos, aeroportos e áreas metropolitanas se tornam mais congestionados, os responsáveis pelo planeamento procuram novas rotas debaixo do solo e debaixo de água. Mega-máquinas como a S-880 permitem construir essas rotas com menos perturbação à superfície, menos dragagens e menor impacto ecológico do que os métodos mais antigos. São caras, intensivas em energia e tecnicamente exigentes, mas oferecem uma forma de aumentar a capacidade sem cobrir mais linha costeira com estaleiros.

A Qin Liangyu recebeu o nome de uma general chinesa da Dinastia Ming, nascida em 1574, conhecida pela coragem e lealdade. O nome segue a longa tradição da engenharia subterrânea de dar nomes femininos a grandes tuneladoras, um costume que remonta ao século XIX. Nesse sentido, a máquina levou tanto a história como o futuro para a rocha sob Hong Kong.

Pontos principais

• A Herrenknecht Mixshield S-880 Qin Liangyu detém o título do Guinness World Records de maior tuneladora por diâmetro de escudo, com 17,63 metros.
• A máquina escavou o túnel subaquático duplo de 5 quilómetros da Ligação Tuen Mun–Chek Lap Kok, que abriu em dezembro de 2020.
• O projeto custou cerca de 18,2 mil milhões de HK$ e é agora o túnel rodoviário subaquático mais profundo, mais longo e mais largo de Hong Kong.
• A tecnologia Mixshield utilizou lama de bentonite e ar comprimido para controlar a pressão em solos macios e saturados de água do fundo do mar.
• O trabalho decorreu a pressões até 5,8 bar, exigindo protocolos hiperbáricos e câmaras de eclusa de ar para as equipas de manutenção.
• Os engenheiros converteram a máquina de 17,6 metros para 14 metros dentro do próprio túnel, uma rara redução do escudo dentro do túnel.
• Uma mini-tuneladora de lama de 3,6 metros construiu as 57 passagens transversais sob alta pressão, uma estreia no setor.
• O projeto reduziu a dragagem em cerca de 11 milhões de metros cúbicos e diminuiu o impacto sobre a vida marinha e as rotas de navegação.