Na engenharia de mineração e na construção subterrânea, escavar o subsolo de forma segura e controlada é um dos maiores desafios técnicos da atualidade. Em especial, quando se trata de túneis escavados sob áreas urbanas ou em maciços instáveis, o comportamento do solo, muitas vezes composto por materiais granulares e heterogêneos, impõe condições complexas de pressão, fluxo e estabilidade.

As tuneladoras de equilíbrio de pressão de terra (EPB-TBM) surgem como uma das soluções mais eficazes para esse tipo de escavação, permitindo controlar a pressão de frente e garantir a integridade do terreno enquanto o túnel avança. No entanto, compreender o que realmente acontece dentro da câmara de escavação, como o solo se comporta, como as partículas interagem com os cortadores, raspadores e o parafuso transportador, sempre foi um desafio, limitado a observações indiretas ou ensaios de alto custo.

É nesse contexto que o Método dos Elementos Discretos (DEM) se consolida como uma ferramenta revolucionária. Ao permitir simular o comportamento individual de cada partícula e suas interações com os componentes da máquina, o DEM abre uma nova perspectiva para o estudo e o aperfeiçoamento de tuneladoras EPB. Através do Altair EDEM, engenheiros podem visualizar, analisar e prever o desempenho dessas máquinas em condições realistas, reduzindo riscos, custos e incertezas de projeto.

Nesse cenário, a Altair destacou um estudo de grande relevância intitulado “Numerical Study of Face-Plate-Type Earth Pressure Balance Shield Tunnel Boring Machine with Discrete Element Method”, que demonstra o uso do software Altair EDEM (baseado no Método dos Elementos Discretos (DEM)) para simular o desempenho de uma tuneladora de escudo de equilíbrio de pressão de terra (EPB-TBM). O estudo oferece uma visão inédita sobre o que acontece dentro da máquina durante a escavação, revelando detalhes que antes só eram possíveis por meio de observações diretas ou testes de campo complexos.

Tuneladoras EPB e o desafio do equilíbrio de pressão

As tuneladoras EPB são amplamente empregadas em obras subterrâneas urbanas e minerárias, onde o controle da pressão de frente é essencial para evitar desmoronamentos e manter a estabilidade do maciço. Seu princípio consiste em equilibrar a pressão do terreno com o material escavado, temporariamente armazenado na câmara de frente e transportado por um parafuso (auger). Modelar numericamente essa interação entre o solo fragmentado e os componentes internos (face plate, raspadores, cortadores e parafuso transportador) é uma tarefa complexa, e é exatamente nesse ponto que a simulação DEM se torna indispensável.

Simulação granular: enxergando o invisível

O estudo utilizou o Altair EDEM para simular uma tuneladora de diâmetro real (6,64 m), com todos os detalhes estruturais da face de corte, incluindo 37 pré-cortadores e 98 raspadores por raio. A simulação permitiu analisar: a distribuição de pressões na frente de escavação, o torque resistente do cabeçote em diferentes rotações, a taxa de remoção e descarga do material escavado, as regiões de acúmulo, fluxo e compactação dentro da câmara.

Esses resultados forneceram uma compreensão detalhada de como as condições operacionais influenciam o equilíbrio de pressão e o desempenho geral da tuneladora.