Neste capítulo é apresentado um breve histórico da empresa Vale, do local do projeto que foi objeto de estudo de caso desta dissertação, das condições que nortearam a elaboração dos projetos básico e executivo do trecho em questão e é apresentada a caracterização geotécnica da jazida selecionada, juntamente com a justificativa da escolha desta jazida para aprofundamento dos estudos e sua classificação geotécnica preliminar realizada por ocasião do projeto básico.
As jazidas de minério de ferro descobertas no sul do Pará, ao final da década de 1960, geraram uma demanda por serviços de transporte da produção mineral até as áreas de embarque, de maneira a possibilitar o atendimento aos mercados externos.
No início da década de 1970, com a implantação do Projeto Ferro Carajás, foram iniciados os estudos do sistema de transporte e porto de embarque como parte do complexo minerador de Carajás, tendo sido verificada a viabilidade do transporte de minério por meio ferroviário.
Em maio de 1976, o governo brasileiro outorgou à empresa Amazônia Mineração - AMZA a concessão para a construção e operação da ferrovia entre a área de Ponta da Madeira em São Luís – MA e a Serra dos Carajás no Pará.
Com o objetivo de escoar a produção de minério de ferro e de manganês das minas de Carajás, a Estrada de Ferro Carajás (EFC) começou a ser implantada em 1982 e iniciou as suas operações em 1985, quando foi entregue pela Rodominas à Vale (então Companhia Vale do Rio Doce – CVRD), em 28 de fevereiro de 1985 (DELGADO et al., 2009).
Após sua privatização em maio de 1997, a CVRD obteve em 27 de junho de 1997, sob novo contrato firmado com a União, a concessão da exploração dos serviços de transporte ferroviário de cargas e passageiros prestados pela EFC. A outorga dessa concessão foi efetivada pelo Decreto Presidencial também de 27 de junho de 1997 e publicado no Diário Oficial da União de 28 de junho de 1997. Assim, a então CVRD
deu prosseguimento à operação dos serviços de logística ferroviária na EFC a partir de 01 de julho de 1997.
No ano de 2003, conforme Delgado et al. (2009), a EFC iniciou o desenvolvimento de projetos de instalação de novos pátios de cruzamento e a ampliação de pátios existentes. Esses projetos tinham como objetivo atender à demanda crescente, especialmente de transporte de minério de ferro, de forma a capacitar a ferrovia para o aumento de escoamento da produção de minério provenientes do complexo minerador de Carajás. Pode-se dizer que, desde então, começaram as atividades do Programa de Capacitação Logística Norte, do qual o empreendimento em foco nesta dissertação faz parte (AMPLO, 2011).
Nos seus mais de 25 anos de existência, além de minério de ferro e manganês, têm passado pelos trilhos da Estrada de Ferro Carajás, anualmente, cerca de cinco milhões de toneladas de produtos como madeira, cimento, bebidas, veículos, fertilizantes, combustíveis, produtos siderúrgicos e agrícolas (destaque para soja), flexibilizando o transporte de insumos entre as regiões norte e nordeste, além de transporte regular de passageiros (DELGADO et al., 2009).
Nos últimos 5 anos, as composições da Estrada de Ferro Carajás transportaram cerca de 465 milhões de toneladas úteis (TU) de minério de ferro provenientes da província mineral de Carajás, embarcado no Terminal Ferroviário de Carajás (TFCJ), no município de Parauapebas/Pará, além de outros produtos também transportados na ferrovia (AMPLO, 2011).
3.2. Localização da EFC
A EFC está localizada nos estados do Maranhão e do Pará, respectivamente nas Regiões Nordeste e Norte do Brasil, entre os limites geográficos definidos pelos paralelos 2º 0’ 00” e 6º 0’ 00” de latitude sul e meridianos 44º 0’ 00” e 50º 0’ 00” de longitude oeste. Percorre 668km e 224km, respectivamente, naqueles estados, perfazendo um total de 892km de extensão, passando por 27 municípios.
Convencionou-se que o ponto de partida do estaqueamento definido pela quilometragem é o quilômetro 0 (zero), localizado no início do Terminal Ferroviário
Ponta da Madeira - TFPM, em São Luís/Maranhão, e o ponto final é o quilômetro 892, no início do terminal ferroviário de Carajás, no Pará.
O traçado da ferrovia está disposto na direção nordeste - sudoeste. De modo geral percorre a planície Amazônica, passando por baixadas próximas a vales e seguindo próximo ao percurso dos rios, principalmente ao curso dos rios Pindaré e Itacaiunas. Tem elevação de greide entre os quilômetros 420 e 570, para travessia da serra do Tiracambu e, ao final, para acessar o altiplano de Carajás, conforme compartimentos a seguir:
Trecho inicial, do km 0 até o km 120 – corresponde ao trajeto de saída da ilha de São Luís, travessia do canal do Estreito dos Mosquitos e entrada na várzea do rio Mearim;
Trecho central do Maranhão, do km 120 ao km 420 – Acompanha o rio Pindaré, em traçado muito próximo, mantendo a característica de greide plano;
Trecho serra do Tiracambu, do km 420 ao km 570 – Com greide em subida da serra até alto do Pindaré e Açailândia e, depois, descida até Cidelândia;
Trecho oeste do Maranhão, do km 570 ao km 675 – Onde a ferrovia se aproxima do rio Tocantins, seguindo entre o rio e a serra do Gurupi;
Trecho no Pará, do km 675 ao km 860 – Contorna a cidade de Marabá e segue próximo ao rio Itacaiunas e rio Parauapebas ao norte da serra Pelada, até o pé da serra dos Carajás em Parauapebas; e
Trecho final, do km 860 ao km 892 – Subida até a serra dos Carajás.
Portanto, o traçado da ferrovia é bastante vinculado aos grandes rios, tendo um greide de variação suave, em terreno plano, com poucos pontos de elevação. E cujo projeto geométrico caracteriza-se pela predominância dos aterros em relação aos cortes, sendo que estes aterros de maneira geral não são de grandes proporções comparativamente a outras ferrovias brasileiras. O raio mínimo de curvatura horizontal
é de 872,59m, a rampa máxima no sentido importação (porto-mina) é de 1% e no sentido exportação (mina-porto) é de 0,4%.
A figura 3.1 indica a localização geográfica da EFC utilizando uma imagem de satélite como suporte, passando pelos estados do Pará e do Maranhão. A figura destaca ainda a região objeto de estudo desta pesquisa (oeste do estado do Maranhão, Brasil), que será caracterizada a seguir.
Figura 3.1 – Imagem de satélite com a localização da EFC, destacando a região de interesse (oeste do Maranhão).
3.3. Caracterização da Região do Projeto
Segundo o relatório da empresa Prodec (2008), o trecho de interesse desta dissertação, localizado na região oeste do estado do Maranhão, encontra-se totalmente implantado em solos do grupo Barreiras do terciário superior do período cenozoíco. O
grupo Barreiras apresenta litologia constituída de conglomerados de natureza laterítica ferruginosa e/ou aluminosa, com arcabouço aberto e suportado por matriz areno- argilosa e arenito de granulação fina a média com matriz argilosa.
O ambiente da gênese do grupo Barreiras foi formado por sistema fluvial meandrante – leques aluviais. Ocorrem sedimentos que variam de finos a conglomerados, depositados por fluxos de detritos com lama. O grupo Barreiras no trecho apresenta seixos constituídos de fragmentos lateríticos.
São descritas a seguir as principais características físicas da região oeste do estado do Maranhão e que apresentam importância significativa para a compreensão dos eventos naturais que ocorreram no passado e outros ainda atuando nos solos existentes nessa região.
3.3.1. Clima
A área do projeto apresenta um clima característico de regiões quentes do tipo tropical, predominante na região Amazônica.
Segundo a classificação de Kóppen, esse clima corresponde ao tipo AM (quente e úmido), com temperaturas médias mensais situando-se acima de 18ºC, ficando em torno de 24º e 26ºC, com os dias bastante longos e chuva periódica. A temperatura na área é praticamente estável, havendo pouca variação. Em média, o mês mais quente é outubro, com 29ºC, e o mais frio julho, com 24ºC (PRODEC, 2008).
O período chuvoso inicia-se geralmente em novembro ou dezembro e se prolonga até julho, intensificando no período de janeiro a abril, onde a média mensal atinge 300mm. Agosto, setembro e outubro são caracterizados por poucas chuvas. O índice pluviométrico anual fica na faixa de 2.000mm, com média mensal de 170mm.
3.3.2. Solos
Os solos identificados na região estudada foram agrupados por ocasião do projeto básico de duplicação da ferrovia em cinco grupos em função da pedologia e de características como coloração e textura, conforme Prodec (2008):
Latossolo vermelho-amarelo de textura média: Trata-se do tipo de solo mais restrito identificado na área, e está representado nas proximidades da cidade de Açailândia (oeste do estado do Maranhão). Suas principais características são: textura média, bastante porosa, permeável, friável. Essa qualidade de solo está geralmente condicionada a relevos planos ou suavemente ondulados, nos topos das chapadas, estando quase sempre associados com areias quartzosas e solos concrecionários lateríticos, possuindo baixa fertilidade.
Latossolo amarelo com textura muito argilosa: Tipo de solo distribuído em praticamente toda a área trabalhada, cuja ocorrência dá-se em relevo plano, nos topos dos tabuleiros terciários e platôs cretáceos, por vegetação tipo floresta tropical sempre verde. Possui uma fertilidade natural baixa, são geralmente ácidos. São bem drenados, friáveis e permeáveis, sendo muitas vezes bastante argilosos.
Latossolo amarelo com textura argilosa: Solo contendo as mesmas características e propriedades do anterior, com exceção da textura e do local de ocorrência, visto que este apresenta uma textura argilosa e está condicionado às áreas dissecadas com relevo ondulado ou fortemente ondulado. Esse solo compreende, na área, o domínio das unidades: formação Itapecuru e coberturas terciário/quaternárias.
Latossolo amarelo com textura argilosa e solos concrecionários lateríticos: São tipos representados pelo anteriormente citado, ocorrendo associado aos solos concrecionários lateríticos, que são os solos que ocorrem em uma topografia suavemente ondulada a fortemente ondulada, cobertos por uma vegetação de floresta ou cerrado. Este solo em termos composicionais apresenta-se constituído de partículas mineralógicas finas e concreções de dimensões variáveis. O seu perfil compreende os horizontes A, com uma espessura em média de 20cm, contendo material argiloso ou argilo-arenoso, além da matéria orgânica, e o B geralmente com 50cm de espessura de sedimentos argilosos, fortemente ácidos. São localizados em região de platôs suavemente ondulados, fertilidade natural com variação de média a baixa e representa, na área, terrenos constituintes das coberturas terciárias.
Solos Aluviais: Também encontrados na região, estes solos de textura e composição bastante heterogêneas, são caracterizados pelo seu enriquecimento em
minerais, condicionados a partir da deposição recente dos sedimentos pela rede de drenagem local. Apresentam uma topografia plana e geralmente se desenvolvem nas regiões das planícies de inundações ou nas calhas dos rios. Este tipo de solo representa, na área, os depósitos recentes do período quaternário.
3.3.3. Hidrografia
Sob o ponto de vista hidrográfico, a área está condicionada a um regime transicional, entre o clima semi-árido do Nordeste e o equatorial da Amazônia, fator esse responsável pelo controle da rede de drenagem local, a qual se comporta ora de forma perene, ora de forma intermitente, dependendo do índice pluviométrico da região. Os cursos d’águas que interceptam o trecho em estudo são afluentes do córrego da Água Branca, que contribuem para a bacia do Atlântico (trecho Norte/Nordeste).
3.3.4. Vegetação
Na área estudada, segundo o relatório Prodec (2008) da empresa Prodec Engenharia, ocorrem quatro tipos de floresta densa:
Floresta densa ocorrendo nos altos platôs de rochas sedimentares, bastante uniforme, com árvores grossas e altas chegando muitas vezes a mais de 50m. Não aparecem palmeiras nem estrato arbustivo. Quando há mata baixa, esta, em sua maioria, apresenta árvores jovens em crescimento, resultantes de matrizes próximas;
Floresta densa secundária latifoliada, proveniente da devastação de floresta por processos que vão do arrastamento à retirada das árvores de valor econômico;
Floresta densa de áreas constituídas por planícies aluviais; e Floresta decidual latifoliada de regiões de baixos platôs formados por rochas sedimentares, restrita às áreas de contato dos climas tropicais, super úmido amazônico, semi-árido nordestino e monsônico do planalto central.
Entre as espécies de vegetais encontram-se com maior representatividade o pau d’arco (Tabebuia sp), a maçaranduba (Manilkara huberi) e o angelim (Hymenolobium petraeum). As matas-galerias estão representadas pelas palmáceas, tais como babaçu (Orbignya oleifera), buriti (Mauritia vinifera), além do jatobá (Hymenaea stigonoocarpa) entre outras.
As pastagens compreendem regiões e ocorrência de campos, os quais são resultados da devastação da floresta densa por intervenções antrópicas.
Localmente são observados de forma pontual o desenvolvimento de uma vegetação de pequeno porte tipo capoeira, associada a plantas heliófilas (cipós), algumas vezes aparecendo mata de cocais. Essas vegetações representam as regiões desmatadas pela atividade humana em áreas recém suprimidas ou aquelas já cultivadas.
3.4. Operação e Expansão da Estrada de Ferro Carajás
Operacionalmente, por ser uma estrada de ferro de linha singela, toda a logística da EFC baseia-se nos conhecimentos de teoria das filas e de programação linear, amparando-se fisicamente em seus pátios de cruzamento (DELGADO et al., 2009).
Os pátios de cruzamento são trechos da linha férrea em que existem pelo menos duas linhas paralelas, de forma que um trem possa passar pelo outro que esteja estacionado, permitindo o cruzamento de dois trens. O trecho que dá continuidade normal ao fluxo do trem é chamado de linha principal enquanto que o que permite o estacionamento do trem é a linha paralela ou de pátio. A transposição de uma linha para a outra é feita através dos AMVs (aparelhos de mudança de via), que conduzem as rodas do trem para uma ou outra linha.
Atualmente na EFC, estes pátios têm a extensão variável de aproximadamente 4km cada um, para permitir que uma composição com 330 vagões e 4 locomotivas (trem-tipo atual de minério de ferro na EFC) possa dar passagem à outra. Na EFC há atualmente 56 pátios de cruzamento que estão localizados na sua maioria do lado esquerdo da ferrovia, no sentido São Luís / Carajás, a cada 13km em média. Além de permitir o cruzamento de composições, possibilita também manobrar, formar e
desmembrar trens, estacionar material rodante, carregar e descarregar vagões de carga ou carros de passageiros, quando for necessário.
Aos pátios podem estar associadas outras linhas de manobra para conduzir as composições para estruturas de apoio tais como oficinas e/ou postos de manutenção, postos de abastecimento, garagem de autos de linha, estações ferroviárias/pontos de parada, embarque e desembarque de cargas e passageiros, dentre outras. A figura 3.2 mostra o pátio-tipo para cruzamento de trens na EFC.
Figura 3.2 – Pátio-tipo de cruzamento na EFC (DELGADO et al., 2009).
A duplicação da EFC consistirá basicamente na interligação de pátios de cruzamento, também denominados de locações. Estes trechos a serem duplicados por ocasião do projeto, são denominados de segmentos e ficam situados entre pátios de cruzamento. Logo, o segmento que visa ligar os pátios 6 e 7 por exemplo, é o segmento de duplicação 6-7, ou simplesmente segmento 6-7.
Em função dos planos expansionistas da EFC o projeto de expansão foi definido por fases, sendo que na primeira fase objetiva-se duplicar 10 segmentos da atual linha singela da EFC, que são os segmentos: 6-7, 20-21, 24-25, 27-28, 30-31, 36-37, 37-38, 47-48, 48-49 e 53-54. Os trechos a serem duplicados nesta primeira fase, foram numerados sequencialmente, compreendendo uma extensão total de 121,191km de linha singela. Na tabela 3.1 apresenta-se a relação dos trechos a serem duplicados, bem como as suas localizações e extensões correspondentes.
O projeto do pavimento ferroviário compreende a adoção de parâmetros definidos pela Vale para: trilhos, dormentes (espaçamento e tipo), lastro (tipo e espessura) e o posterior dimensionamento das camadas de sublastro e de reforço do subleito (se for o caso).
Tabela 3.1 – Trechos de linha a serem duplicados na fase 1 de duplicação da EFC (fonte do autor).
Os parâmetros pré-definidos pela Vale, conforme Souto (2010), foram: Bitola: 1,60 metros;
Trilhos: Tipo TR-68 em aço carbono, formado por barras longas (TLS), de 384,00m, correspondente a 16 barras de 24,00m soldadas em estaleiro, e para segmentos em curvas com teores relativamente
altos de manganês e silício, laminados a quente e convenientemente resfriados após a laminação;
Dormentes: Monobloco, de concreto protendido, seção trapezoidal com altura de 22,5cm, base maior com 30cm e menor com 26cm, comprimento de 2,80m, aplicados com espaçamento entre eixos de 61cm;
Fixação: A fixação dos trilhos será elástica, do tipo Pandrol;
Lastro: Rocha britada, granulometria correspondente à faixa nº 24 da AREMA (2009), espessura de 30cm sob o dormente no alinhamento do trilho interno.
O número de repetições do eixo-padrão (número “N”) a ser considerado no projeto é de 7,95 x 107, correspondente à metade do tráfego previsto, considerando-se a via duplicada. Utilizando-se os seguintes parâmetros para definição do número N:
Número de trens/dia: 27 trens; Dias de operação por ano: 365 dias; Período de Projeto: 12 anos.
Fator considerando ida e volta dos trens nas duas linha: 4.
Fator considerando apenas a linha que está sendo dimensionada: 2.
Nvagões= 27x365x12x330x4/2 = 7,81x107
Nlocomotivas= 27x365x12x6x4/2 = 1,42x106
Ndim= 7,95x107
Segundo AREMA (2009), a velocidade diretriz de projeto, deve ser aquela em que o coeficiente de impacto não ultrapasse o valor de 1,4 para rodas com diâmetro de 965mm (38”). Portanto, para o projeto, foi adotado um valor de 80km/h.
Ressalta-se ainda que a carga/eixo padrão adotada para o projeto de expansão da EFC é de 40 toneladas frente às 32 toneladas atualmente consideradas. Assim foi resolvido utilizar a concepção de um pavimento no qual se compreenda o
comportamento mecânico das camadas integrantes, abandonando-se os métodos empíricos convencionalmente empregados para caracterização do material e dimensionamento da via.
Dessa forma, foi dimensionada a camada de sublastro para a construção de cada um dos segmentos de duplicação por ocasião do projeto básico de expansão da EFC pela empresa Prodec Engenharia segundo relatório Prodec (2008), utilizando-se ainda o método empírico convencional e obtendo-se uma camada de sublastro com 30cm de espessura e CBR mínimo de 28%.
Posteriormente tal dimensionamento foi reavaliado durante a elaboração do projeto executivo por Spada no relatório Souto (2010) da empresa JM Souto Engenharia, que empregou método mecanicista através do programa de computador Ferrovia, no qual se buscou jazidas de solo naturais nas proximidades do projeto e que pudessem, sem adição de outros materiais, serem competentes para emprego como camada de sublastro na EFC ainda utilizando correlações com os valores de CBR do projeto básico, visto que não foram feitos ensaios dinâmicos para a obtenção dos parâmetros de projeto da via férrea.
O esquema de carregamento utilizado para o dimensionamento do pavimento ferroviário é mostrado na figura 3.3, e representa o efeito de uma composição de dois vagões gôndola tipo GDT, considerando o carregamento de 40 toneladas por eixo. Devido às condições de carregamento dinâmico impostas à via, foi considerado um coeficiente de impacto igual a 2, próprio para dormentes de concreto segundo especificação da AREMA (2009). Dessa forma, obteve-se um carregamento vertical de 80 tf por eixo ou, ainda, 40 tf por roda.
Segundo Spada em Souto (Souto, 2010), verificou-se que a condição mais severa imposta à via, em termos de tensões e deslocamentos, é dada pela composição de truques entre vagões adjacentes. Devido à distribuição dos pontos na malha do programa computacional Ferrovia 3.0 (que foi utilizado para tal análise), a distância entre eixos de vagões teve que ser ajustada para as configurações de grade propostas (dormentes espaçados de 61 cm), levando ao modelo de carregamento mostrado na figura 3.4. 40tf 40tf 40tf 40tf 40tf 40tf 40tf 40tf 61c m
C o m p o siç ã o d e d o is va g õ e s G DT (80tf/ e ixo ) / e sp a ç a m e nto e ntre d o rm e nte s d e 61c m (e sq ue m a e m p la nta )
244c m 183c m
183c m
Figura 3.4 – Esquema em planta do carregamento aplicado nas simulações numéricas para as configurações com 80 tf/eixo (SOUTO, 2010).
Dessa forma, obteve-se no projeto executivo uma camada de sublastro com espessura mínima de 25cm e MR de 180MPa, ficando definido que posteriormente seriam contratados ensaios mecânicos e novas análises computacionais visando confirmar ou refutar a adoção de tais valores. O que se pretende em parte com esta dissertação.
Tal diferença de espessura nos projetos básico (30cm) e executivo (25cm), pode ser explicada, em parte, pelos diferentes valores de tensão vertical atuante no topo da camada de sublastro ao se empregar um método puramente empírico ou o método mecanicista. Utilizando-se o método empírico, obteve-se uma tensão vertical de 0,217MPa, sendo que na análise numérica computacional realizada por ocasião do projeto executivo foi obtida uma tensão de 0,151MPa. O valor obtido pelo método mecanicista, ratifica Paiva et al. (2008), que relata que no sublastro do pavimento ferroviário da EFC (carga/eixo de 40 toneladas), geralmente atuam tensões induzidas pelo tráfego da ordem de 0,140MPa.
Grande parte das jazidas mapeadas para os trechos de expansão da EFC