monografia de dias 27_03 r08

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA ENGENHARIA CIVIL ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS SEQUÊNCIAIS COM NATM (NEW AUSTRIAN TUNNELING METHOD) Jonneilhe Dias Leite

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Page 1: Monografia de DIAS 27_03 R08

1

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA

ENGENHARIA CIVIL

ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS SEQUÊNCIAIS COM

NATM (NEW AUSTRIAN TUNNELING METHOD)

Jonneilhe Dias Leite

Feira de Santana

2012.2

Page 2: Monografia de DIAS 27_03 R08

2

Jonneilhe Dias Leite

ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS SEQUÊNCIAIS COM

NATM (NEW AUSTRIAN TUNNELING METHOD)

Trabalho apresentado ao Curso de

Engenharia Civil da Universidade

Estadual de Feira de Santana como

parte dos requisitos para obtenção do

título de Bacharel em Engenharia Civil.

Prof. Dr. João Carlos Baptista Jorge da Silva – Orientador

Feira de Santana

2012.2

JONNEILHE DIAS LEITE

Page 3: Monografia de DIAS 27_03 R08

3

ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS SEQUÊNCIAIS COM NATM

(NEW AUSTRIAN TUNNELING METHOD)

Esta monografia foi julgada e aprovada como parte dos requisitos

para a obtenção parcial do título de Bacharel em Engenharia Civil pela

Universidade Estadual de Feira de Santana, encontra-se corrigida conforme

exigências da Banca Examinadora e devidamente conferida pelo orientador.

Feira de Santana, 25 de março de 2013.

_______________________________________

Prof. Dr. João Carlos Baptista Jorge da Silva

Orientador

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. João Carlos Baptista Jorge da Silva (Orientador)

Professora. Dr.ª Maria do Socorro Costa São Mateus

Prof. Ms. Areobaldo de Oliveira Aflitos

Page 4: Monografia de DIAS 27_03 R08

4

FICHA CATALOGRÁFICA

Leite, Jonneilhe Dias

Escavações subterrâneas sequências com NATM / UEFS 2013Monografia (Graduação) – Universidade Estadual de Feira de Santana –UEFS – Curso de Engenharia Civil. 83 f

Orientador: Prof. Dr. João Carlos Baptista Jorge da Silva

Túnel e galerias – construção engenharia. Obras subterrâneas – sustentação e revestimento. 2. Concreto.

Universidade de Feira de Santana – UEFS. III. Título.

CDD: 624

Page 5: Monografia de DIAS 27_03 R08

5

Dedico este trabalho a minha

avó Francisca Lopes Dias e ao meu avô

Alvino José Dias (in memorian), cuja

dedicação e compreensão, não me

podaram quando criança de desenvolver

minha engenharia no quintal de sua

residência, nem em sua mercearia, me

deixando livre para executar as minhas

obras de artes; casas, pinturas de paredes,

carrinhos, aviões, ponte, pistas e outras

tantas por mim executadas.

Page 6: Monografia de DIAS 27_03 R08

6

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. João Carlos Baptista Jorge da Silva pela orientação na

elaboração deste trabalho e ao material cedido.

A minha mãe pelo grande apoio nos momentos difíceis.

A minha querida esposa Jocelia da Silva Bonfim, pelo carinho e pela

paciência que sempre me ofertou.

Aos meus filhos Pedro Henrique e Natalia Bonfim, desejando que essa luz

esteja sempre em suas vidas.

A minha tia Ilda Lopes Dias, ao grande apoio nestes dois últimos anos de

faculdade.

Aos funcionários da Biblioteca da Escola Politécnica da USP, pela

colaboração na pesquisa de trabalhos de conclusão de curso, teses de mestrado,

teses de doutorado, livros e revistas relativas ao tema.

A Prof. Dr.ª Maria do Socorro Costa São Mateus, pelos grandes

ensinamentos na área de geotécnica no final do curso.

Ao Prof. Aerobaldo de Oliveira Aflitos, pelo incentivo e apoio.

Ao Prof. Cristóvão, pelo incentivo e apoio.

Ao Prof. Dr. Carlos Henrique Medeiros, pelas discussões e sugestões.

Aos amigos Reinaldo Cirino e Renildo Cirino, pelo incentivo para o

término do curso.

Page 7: Monografia de DIAS 27_03 R08

7

RESUMO

Este trabalho refere-se a um dos métodos, mais utilizados para

escavações e aberturas subterrâneas do mundo e os efeitos gerados por ele na

estrutura natural do terreno. O método de escavações sequenciais o NATM (New

Austrian Tunneling Method).

Desenvolvido por Ladislau Rabcewicz, que apresentou a Europa, entre o

final da década de 1950 e a primeira metade da década seguinte, fruto da

experiência com trabalhos de execução de túneis em minas de carvão. O êxito no

emprego do NATM depende da compreensão e aplicação de alguns conceitos,

bem como da experiência dos profissionais envolvidos na sua construção. Nesta

dissertação estão os principais conceitos que definem a tecnologia para a

aplicação do NATM.

Para o estudo de caso foi selecionado o exemplo de um trecho de galeria

do Metrosal, Salvador - BA, onde são obtidas as deformações e tensões

desenvolvidas na abertura do túnel.

Palavras - chaves: NATM, escavações sequenciais, túneis.

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ABSTRACT

This paper refers to one of the methods most used for excavations and

underground openings in the world and the effects generated by it in the structure of

the natural terrain. The sequential excavation method of the NATM (New Austrian

Tunnelling Method).

Powered by Ladislaus Rabcewicz, which showed Europe between the end

of the 1950 and the first half of the next decade, thanks to the work experience of

running tunnels in coal mines. The successful use of NATM depends on the

understanding and application of concepts, as well as the experience of the

professionals involved in their construction. In this dissertation are the main

concepts that define the technology for the application of NATM.

For the case study was selecionadoo example of an excerpt from the

gallery Metrosal, Salvador - Bahia, where they obtained the strains and stresses

developed in the tunnel opening.

Key - words: NATM, sequential excavations, tunnels.

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9

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1- Vagoneta utilizada em mineração - (Wikipédia, 2012).......................................................17Figura 2 - Execução de abóbada em um escavação VCA - metrô de Brasilia Assis (2005)..................20Figura 3 - Perspectiva da atual tendência nos grandes centros urbanos (Assis, 2005).....................21Figura 4 - Perspectiva da atual tendência nos grandes centros urbanos (Assis, 2005)......................22Figura 5 - apresenta o comportamento dos solos devido a escavação (MURAMAKI,2001)...............29Figura 6 - Maciço autoportante (Modificado Solotrat, 2012)............................................................30Figura 7 - Maciço que necessitou de intervenção (Tecnogeo , 2010)................................................31Figura 8 - Atirantamento do maciço para criação da camada colaborante ( Este Engenharia, 2012) 33Figura 9 – Corte da Seção superior do túnel ( solotrat, 2010)...........................................................34Figura 10 –Corte da Seção inferior do túnel sob a ferrovia 682 (solotrat, 2010)...............................34Figura 11 - Exemplos de parcialização de seções (Solotrat, 2012).....................................................35Figura 12 – Parcialização Seção Túnel Oeste na Vila Madalena de São Paulo - Metrô......................35Figura 13 - Parcialização da Seção - Assis 2005..................................................................................36Figura 14 - -Parcialização da Seção - Assis 2005.................................................................................36Figura 15 - Função do Arco Invertido - (a) fundação; (b) Função de Travamento (Murakami, 2001) 37Figura 16 - Demolição do arco invertido provisório - Metro Santigo Chile, 2009..............................38Figura 17 - Ilustração esquemática da instrumentação - (MURAKAMI, 2001)...................................42Figura 18 - Dreno Horizontal Profundo (ODEBRECHT, 2005).............................................................44Figura 19 - Enfilagens - Seção Transversal (MURAMAKI, 2001).........................................................47Figura 20 - Perfuratriz para executar enfilagens (tecnogeo)..............................................................47Figura 21 - Engilagens - Seção Longitudinal (MURAKAMI, 2001, CITADO POR THIAGO 200).............48Figura 22 - Agulhamento (ODEBRECHT, 2005 - CITADO POR THIAGO 2006).....................................49Figura 23 - Auto-sustentação do concreto projetado na cambota (MURAMAKI, 2001)....................50Figura 24 - Cambotas utilizadas no Emboque do Túnel 2 leões Salvador - BA 2004 (THIAGO 2006). 51Figura 25 - Detalhe instalação da cambota (ABTC)............................................................................51Figura 26 - Detelhe tipico de um tirante – (SOLOTRAT, 2012)...........................................................52Figura 27 - Ancoragem da tela metálica (LINS, 1999)........................................................................53Figura 28 - Aplicação de concreto projetado (SOLOTRAT, 2012).......................................................54Figura 29 - Esquema do equipamento de concreto projetado (BETO, 2000).....................................54Figura 30 - Fases da cosntrução de um Túnel - Plaxis 2D..................................................................66Figura 31 - Túnel dois Leões - Fonte: Igor Dantas, 2009....................................................................66Figura 32 – Malha 2D utilizada no programa Plaxis 2D............................................................67Figura 33 - escavação da abábada - Plaxis 2D....................................................................................68Figura 34 - Gráfico de linhas de contorno - Plaxis 2D.........................................................................69Figura 35 - Tendência de deslocamentos laterais - Plaxis 2D.............................................................69Figura 36 - Nuances dos deslocamentos – Plaxis 2D..........................................................................70Figura 37 - Bacia de Recalque na seção superior do túnel.................................................................70Figura 38 - Bacia de Recalque na seção Inferior do Túnel..................................................................71Figura 39 - Tendência de deformação do piso após aplicação do suporte. Plaxi 2D..........................71Figura 40 - tensões nas paredes e piso do túnel - Plaxis 2D...............................................................72Figura 41 - Escavação da 2ª fase - Plaxis 2D.......................................................................................72Figura 42 - Linhas de tendência de deformação após escavação da bancada - Plaxis 2D..................73

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Figura 43 - Bacia de recalque na geratriz superior após conclusão do arco Invert............................73Figura 44 - Deformação após conclusão do Túnel.............................................................................74Figura 45 - Bacia de recalque final no piso do tunel.........................................................................74Figura 46 - Tensões após conclusão do túnel. - plaxis 2D..................................................................75

Page 11: Monografia de DIAS 27_03 R08

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SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS..................................................................................................................................... II

RESUMO.................................................................................................................................................... III

ABSTRACT................................................................................................................................................. IV

LISTA DE ILUSTRAÇÕES............................................................................................................................... V

SUMÁRIO................................................................................................................................................. VII

1. INTRODUÇÃO................................................................................................................................ 13

2. OBJETIVOS.................................................................................................................................... 14

2.1. OBJETIVO GERAL............................................................................................................................142.2. OBJETIVO ESPECÍFICO....................................................................................................................14

3. JUSTIFICATIVA............................................................................................................................. 15

4. METODOLOGIA DO TRABALHO................................................................................................16

5. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.......................................................................................................... 17

5.2. DEMANDA ATUAL DE OBRAS SUBTERRÂNEAS...............................................................195.3. HISTÓRICO DO NATM................................................................................................................225.4. DEFINIÇÕES DO NATM..............................................................................................................245.5. PRINCÍPIOS DO NATM...............................................................................................................265.6. COMPORTAMENTO DO MACIÇO............................................................................................285.7. CAMADA COLABORANTE DO MACIÇO................................................................................305.8. PARCIALIZAÇÃO DA SEÇÃO...................................................................................................335.9. ARCO INVERTIDO (“INVERT”).................................................................................................375.10. ”STAND-UP-TIME”..................................................................................................................385.11. INSTRUMENTAÇÃO................................................................................................................38

5.11.1. A INSTRUMENTAÇÃO INTERNA.....................................................................................405.11.2. A INSTRUMENTAÇÃO EXTERNA...................................................................................40

5.12. PROCESSO DE ESTABILIZAÇÃO.......................................................................................435.12.1. DRENAGEM-REBAIXAMENTO DO LENÇOL FREÁTICO...........................................435.12.2. INJEÇÕES.............................................................................................................................445.12.3. ”JET GROUTING”...............................................................................................................455.12.4. ENFILAGENS.......................................................................................................................455.12.4.1. AS ENFILAGENS DISCRETAS.....................................................................................455.12.4.2. AS ENFILAGENS JUSTAPOSTAS..............................................................................465.12.4.3. AS ENFILAGENS CURTAS...........................................................................................465.12.4.4. AS ENFILAGENS LONGAS..........................................................................................465.12.5. CONGELAMENTO...............................................................................................................485.12.6. AGULHAMENTO..................................................................................................................49

5.13. CAMBOTAS – TIRANTES - TELAS DE AÇO.....................................................................505.13.1. TIRANTES.............................................................................................................................525.13.2. MALHAS DE AÇO...............................................................................................................52

5.14. CONCRETO PROJETADO.....................................................................................................535.15. TENSÕES VIRGENS OU TENSÕES NATURAIS...............................................................55

5.15.1. ESTIMATIVA DE KO...........................................................................................................57

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5.15.2. FATORES QUE AFETAM KO............................................................................................575.15.3. MEDIÇÃO DE KO................................................................................................................58

5.16. TENSÕES INDUZIDAS............................................................................................................58

6. ESTUDO DE CASO....................................................................................................................... 61

6.1. ESTRUTURA DO PLAXIS...........................................................................................................616.1.1. ENTRADA DE DADOS - (INPUT)......................................................................................616.1.2. MODELO E TIPO DE ELEMENTO FINITO......................................................................626.1.3. CÁLCULO.............................................................................................................................626.1.4. SAÍDA DE DADOS – (OUTPUT).......................................................................................636.1.5. CURVAS (CURVES)............................................................................................................63

6.2. SIMPLIFICAÇÕES EMPREGADAS...........................................................................................636.3. PARÂMETROS ADOTADOS PARA ANÁLISES.....................................................................646.4. PROCESSO CONSTRUTIVO.....................................................................................................656.5. MODELAGEM NUMÉRICA.........................................................................................................686.6. RESULTADOS..............................................................................................................................69

6.6.1. CONSTRUÇÃO DA ABÓBADA........................................................................................696.7. ANALISE DOS RESULTADOS..................................................................................................77

7. CONCLUSÃO................................................................................................................................. 78

8. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA..................................................................................................80

9. ANEXOS......................................................................................................................................... 83

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1. INTRODUÇÃO

Os túneis são um dos mais antigos tipos de construção executados pelo

homem. São passagens abertas artificialmente em formações rochosas ou sob o

solo, com objetivo de oferecer, entre tantas, o escoamento de água, o acesso de

minas, vias, armazenamento, ferrovia entre outras.

Esta pesquisa pretende estudar o método de escavação sequencial mais

utilizado em obras de túneis, aprofundando-se no comportamento do maciço. Este

método foi denominado o novo método austríaco para abertura de túnel (NATM,

New Austrian Tunneling Method).

O método garante a segurança da obra, monitorando o comportamento

do maciço e das estruturas face aos efeitos da escavação do túnel. Por meio deste

monitoramento são detectados antecipadamente eventuais mecanismos de

colapso, os quais indicam a necessidade ou não de medidas corretivas.

Os resultados da instrumentação subsidiarão a realização de revisões e

aprimoramento do projeto além de permitir a avaliação do comportamento maciço

(estrutura real) e do método construtivo, através da reavaliação das hipóteses.

Com a simulação no programa de elementos finitos, Plaxis 2D, os

resultados obtidos dão subsídios à equipe técnica de analisar e tomar decisões

mais precisas quanto ao tipo de suporte a ser instalado durante e após a

escavação, bem como o tipo de seção a ser escavada e os avanços da escavação

que posteriormente serão corrigidos, após interpretação dos resultados e análises

da instrumentação.

Page 14: Monografia de DIAS 27_03 R08

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2. OBJETIVOS

2.1.Objetivo Geral

Este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo estudar o NATM

(New Austrian Tunneling Method), o método mais difundido a nível internacional

para escavações de obras subterrâneas, utilizado em obras de túneis rodoviários,

ferroviários, estações de metrô, etc. ressaltando os principais aspectos técnicos da

aplicação do NATM.

2.2.Objetivo Específico

Estudar o comportamento do maciço submetido a alívios de tensões.

Analisar dados da instrumentação e de que forma interferem no

comportamento do processo NATM.

Estudar o equilíbrio da escavação através da instalação progressiva de

suportes com o acompanhamento e controle das deformações até que estas sejam

estabilizadas.

Estudar a retroalimentação do projeto a cada etapa da construção.

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15

3. JUSTIFICATIVA

Com o desenvolvimento e crescimento das grandes cidades, os sistemas

de transporte e saneamento necessitam de uma grande expansão para poder

atender esta nova demanda. Como as grandes cidades geralmente já se

encontram bastante povoadas e os terrenos muito valorizados, as obras de grande

porte necessárias para o transporte de pessoas e mercadorias tornam-se

praticamente inviáveis em superfície, principalmente devido ao alto custo de

desapropriação. Desta forma, as obras subterrâneas têm surgido como uma

seleção para viabilizar o desenvolvimento dos sistemas de transporte e

saneamento das metrópoles.

Diante disso, o NATM destaca-se como principal método executivo de

túneis e poços de grande diâmetro, devido ao seu custo baixo se comparado com

outras tecnologias principalmente as escavações mecanizadas.

Page 16: Monografia de DIAS 27_03 R08

16

4. METODOLOGIA DO TRABALHO

Este trabalho foi desenvolvido através de fundamentação teórica com uma

vasta pesquisa bibliográfica, levantada em revistas especializadas, artigos

técnicos, teses de TCC, teses, livros e apostilas.

Grande parte das informações impressas foi adquirida principalmente na

biblioteca Vitor Mello, instalada na Escola Politécnica da Universidade de São

Paulo-Poli-USP, na cidade de São Paulo, além de um vasto material cedido pelo

orientador Eng. Dr. João Carlos Baptista Jorge da Silva. Também foi adquirido

material na internet; material este que foi fonte das principais fotos atualizadas.

Como ajuda na compreensão dos estudos realizados, foi utilizado o

programa de elementos finitos, Plaxis 2D Tunnel, na versão 8.2, de modo a poder

avaliar o nível de tensões que ficam submetidas às paredes do túnel durante e

após sua escavação, além das deformações que são impostas ao terreno

circundante.

Page 17: Monografia de DIAS 27_03 R08

17

5. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

5.1.HISTÓRICO DAS OBRAS SUBTERRÂNEAS

Há milhares de anos a humanidade começou a escavar túneis, para as

mais diversas finalidades, principalmente para abrigo contra as chuvas e

predadores.

O túnel mais antigo que se tem registro foi construído a cerca de 4.000

anos na Babilônia, sob o leito do rio Eufrates, tendo a finalidade de estabelecer

uma comunicação subterrânea entre o palácio real e o templo, separados por uma

distância de cerca de um quilômetro (seção 1, 5 x 1, 5m) segundo (Assis, 2005).

Na idade média, a construção de túneis teve propósito prioritariamente

militar. No começo do século passado o avanço era feito por meio de várias

pequenas galerias, que eram unidas na fase de alargamento, que utilizavam

método dos países de origem a exemplo do método inglês, método belga, método

austríaco e método alemão.

O processo era extremamente moroso, complicado e perigoso, exigindo

enorme quantidade de madeira para escoramento o que tornava impossível o

emprego de equipamento de maior porte. A escavação era feita por meio de

ferramentas manuais, martelos, picaretas, pás, ponteiros e alavancas. O transporte

do material escavado era feito por pequenas vagonetas conforme mostrado na

figura 1, o revestimento utilizado era de alvenaria composto por pedras ou tijolos,

chegando a ter 2 metros de espessura.

Figura 1- Vagoneta utilizada em mineração - (Wikipédia, 2012).

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18

Em 1679, foi empregado pela primeira vez o uso de explosivos (pólvora)

para desmonte da face de escavação. (Assis, 2005)

Com a Revolução Industrial e o desenvolvimento das máquinas, deu-se

início a Era das Ferrovias, onde foi o período mais produtivo para a engenharia de

túneis. Alguns desenvolvimentos desta fase devem ser lembrados. A construção do

túnel sob o leito do rio Tâmisa, em Londres, foi iniciado em 1807 e ficou

abandonado por 15 anos, devido às dificuldades construtivas e sua conclusão foi

em 1843 viabilizada pela utilização do primeiro Shield pelo Eng. Brunel.

A evolução nos métodos de abertura de túneis, só veio a ocorrer

realmente com a revolução industrial e consequentemente a introdução das

máquinas de escavação hidráulicas e pneumáticas (1857), da dinamite (1864), do

ar comprimido para expulsar água do lençol freático e dos Shields cilíndricos

(1869).

No final da década de 1950, com o advento do NATM (New Austrian

Tunneling Method) desenvolvido por Ladislau Von Rabcewicz, fruto da experiência

com trabalhos de execução de túneis, é que ocorreu uma mudança significativa

nas escavações de túneis para atingir o estágio atual.

Assim, segundo Assis (2005) pode-se dividir a evolução das obras

subterrâneas nos seguintes períodos:

Pré-história (cavernas como moradias).

Era Mineral - 4.000a.c até os dias de hoje.

Era da Navegação-Construção de canais (séc. XV e XVI).

Era das Ferrovias- Grandes avanços (Pólvora/Máquinas).

Era Ambiental - a partir dos anos 60 (criação do NATM).

Page 19: Monografia de DIAS 27_03 R08

19

5.2.DEMANDA ATUAL DE OBRAS SUBTERRÂNEAS

Nos últimos 40 anos têm ocorrido um aumento na realização de túneis e

obras subterrâneas em todo o mundo, principalmente no âmbito dos transportes de

massas e mercadorias.

Um túnel segundo Zanellato (2003) começa com necessidade de superar

obstáculos naturais ou artificiais: montanhas, curso d’água fluvial, curso d’água

marinho, zonas urbanas densamente edificadas, uma rodovia que não pode ser

interditada e tantos outros obstáculos.

A execução de obras subterrâneas como túneis e poços tem se mostrado

uma excelente alternativa na solução destas questões.

Os túneis são hoje utilizados com as mais diversas finalidades. Pode ser

citada como exemplo a escavação de túneis em montanhas que reduzem

significativamente as distâncias a serem cobertas por vias de transporte, a adução

de água, esgoto, transportes urbanos, mineração, reservatórios, galerias, metrô,

shopping, estacionamentos.

Segundo Assis (2005) de acordo com a sua finalidade as obras

subterrâneas podem ser separadas nos principais grupos:

Túneis de Tráfego

Túneis de metroviários.

Túneis ferroviários.

Túneis rodoviários.

Túneis para pedestres

Túneis para navegação

Túneis de Adução

Túneis em usinas hidrelétricas.

Túneis para abastecimento de água.

Túneis para transporte de esgotos.

Túneis de transporte de produtos industriais e minerários.

Túneis para cabos elétricos.

Page 20: Monografia de DIAS 27_03 R08

20

.Outros tipos de obra subterrânea.

Cavernas urbanas (estacionamento, recreação etc.).

Cavernas de estocagem (fluidos e rejeitos).

Cavernas para barragens

Shafts

Poços de prospecção de petróleo.

Os túneis são, portanto, entendidos como estruturas subterrâneas,

construídos por meio de métodos específicos de escavação de modo a causar uma

mínima perturbação na superfície. Os túneis também podem ser executados

através da técnica Cut and Cover, que consiste na abertura de valas que serão

aterradas após a finalização do túnel. A técnica Cut and Cover (Vala a céu aberto -

VCA) possui utilização limitada por promover sérias perturbações na superfície do

terreno acima e interferências com as redes de utilidades públicas já instaladas,

sendo inviável, por exemplo, em áreas industriais ou densamente povoadas como

pode ser verificada na figura 2.

Figura 2 - Execução de abóbada em uma escavação VCA - metrô de Brasília Assis (2005)

Page 21: Monografia de DIAS 27_03 R08

21

Atualmente a maior necessidade de obras subterrâneas se encontra na

construção de túneis de tráfego, cavernas de estocagem, estacionamentos

situados em centros urbanos densamente ocupados, liberando espaço na

superfície para utilizações mais nobres tais como, novas áreas para moradia e

lazer. Nas figuras 3 e 4 pode-se observar a perspectiva da atual tendência de

ocupação do espaço pelos grandes centros urbanos.

Figura 3 - Perspectiva da atual tendência nos grandes centros urbanos (Assis, 2005).

Page 22: Monografia de DIAS 27_03 R08

22

Figura 4 - Perspectiva da atual tendência nos grandes centros urbanos (Assis, 2005).

Segundo Kochen (2011), atualmente a necessidade das metrópoles para

encontrar soluções para o transporte urbano de grande capacidade exige soluções

muitas vezes que só se viabilizam se forem subterrâneas, para evitar interferência

e traumas na superfície que podem deixar cicatrizes na vida cotidiana e no tecido

urbano das cidades, como no caso dos elevados.

5.3.HISTÓRICO DO NATM

O NATM começou a ser idealizado durante os anos de 1932 e 1940, pelo

Engº. Landislau Von Rabcewicz, que na época era engenheiro chefe na construção

dos inúmeros túneis componentes da ferrovia Transi-Iraniana. A partir de suas

observações e anotações, concluiu que o verdadeiro motivo para o colapso da

estrutura de um túnel, contrariamente as ideias predominantes na ocasião, é

sempre falhas por cisalhamento ou por compressão. (Figueiredo, 1994).

Na década subsequente ele concretizou suas ideias com o intuito de criar

um sistema de escavação baseado num dimensionamento empírico/científico. Isto

se deve após observação que todos os colapsos provinham da possibilidade do

afrouxamento inicial do maciço e o aparecimento de vazios entre os suportes e o

terreno. O revestimento do túnel era feito por etapas: primeiro removia-se o

Page 23: Monografia de DIAS 27_03 R08

23

escoramento e logo após instalava-se o revestimento, que poderia atingir até 2

metros de comprimento. Porém, os espaços vazios deixados entre o revestimento,

faziam com que o terreno se movimentasse para fechar os espaços vazios, criando

assim uma sobrecarga sobre o revestimento que posteriormente se rompia.

(Figueiredo, 1994).

Terzaghi lançou a ideia de se estudar o comportamento do terreno e avaliar

a carga do mesmo sobre o escoramento, permitindo assim dimensionar o

escoramento necessário para suportar a massa do terreno deslocado. No entanto,

não ficou eliminado o inconveniente da permanência do espaço entre o extradorso

da calota e o terreno escavado, permitindo a deformação do terreno caso da rocha

o desprendimento de blocos.

Mesmo a prática de encher esses vazios com pedra ou madeiras não

resolvia o problema. Tanto é que vários túneis fortemente camboteados, cederam

sem qualquer explicação possível naquela época. Apesar disso, esse método

continuou a ser empregado por sua grande superioridade em relação aos métodos

Americano e Belga.

Segundo Figueiredo (1994) Prof. Rabcewicz em suas observações, foi

idealizado um único material suficientemente plástico que pudesse ser aplicado

imediatamente após a escavação e no momento da aplicação do preenchimento

das cavidades mais irregulares oferecendo uma elevada resistência em poucas

horas, o que possibilitaria a imobilização do solo ou da rocha, eliminando os

afrouxamentos iniciais e os vazios nas interfaces.

Este material já existia e era o concreto projetado aditivado com acelerador

de pega, foi assim que nasceu o NATM. Foi dado seu nome em Salzburgem,

(1962) para distingui-lo do antigo método adotado na Áustria, uma vez que ele

representava um avanço tecnológico do que era conhecido até então.

Mundialmente o primeiro uso do termo em inglês de NATM, apareceu em

uma série de três artigos escritos pelo Rabcewicz publicado na revista “Water

Power” em novembro e dezembro de 1964 e janeiro de 1965 Rabcewicz (1964) e

Gehring J. (1989) reproduziram os conceitos fundamentais que foram o método

construtivo do NATM.

Segundo Flavio (2003) o NATM, desenvolvido por Ladislau Rabcewicz,

teve evolução significativa na Europa entre o final da década de 1950 e a primeira

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24

metade da década seguinte, o NATM só chegou ao Brasil em 1970, na ocasião das

obras da Rodovia dos imigrantes.

5.4.DEFINIÇÕES DO NATM

O novo método Austríaco para a abertura de túneis NATM segundo

Zanellato (2003) é uma maneira segura e muito eficiente de construir túneis.

Basicamente logo após a escavação parcial do maciço é instalada a

estrutura de suporte, esta estrutura é feita com concreto projetado e completada

quando necessário por tirantes e cambotas. Segundo Ferrari (1993) esta

metodologia que a primeira vista parece simples está embutida nos conceitos

fundamentais da geotécnica.

Para Lins (1999), o maciço não é apenas carregamento, mas também é a

parte da estrutura. Em uma concepção “antiga” de projeto o revestimento deveria

resistir ao peso do maciço, em concepção mais atual o revestimento e o maciço

são estruturas o que implica em um projeto mais econômico.

Golser (1954) descreve o NATM como método que se caracteriza por obter

a estabilização da cavidade através de um alívio de pressão controlado. De acordo

com o principio, o maciço circundante é transformado de um elemento de carga em

um elemento importante. Assim o controle do comportamento do terreno

circundante e do sistema de estabilização através de medidas de convergências é

uma parte integrante e indispensável do NATM.

Segundo Kovari (1994) na construção de um túnel em NATM boa parte da

atividade de projeto pode ser desenvolvida durante a própria construção. O projeto

e a construção do túnel sofrem muitas retroalimentações, que dependem das

observações obtidas em campo.

O NATM caracteriza-se como um método de escavação de túneis que

busca o equilíbrio da escavação através da instalação progressiva de suportes

(concreto projetado, cambotas e chumbadores) mínimos e bastante flexíveis, com

o acompanhamento e controle das deformações até que estas sejam estabilizadas.

Se constatada alguma tendência de estabilização, executa-se uma nova camada

do suporte através do aproveitamento da capacidade de autos sustentação do

maciço.

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25

Para tanto é necessária e obrigatória à implantação de um sistema de

instrumentação para que seja possível avaliar o desempenho do maciço em termos

de deformação e segurança MURAKAMI (2001) citado por THIAGO (2006).

Segundo Zanellato (2003) o sucesso da utilização do NATM para

escavação de túneis depende da compreensão e aplicação de alguns conceitos

bem como da experiência dos profissionais envolvidos na sua construção. Não

existe norma específica da ABNT.

Segundo Muller (1962) o NATM é uma abordagem metodológica que

integra os princípios do comportamento de maciços rochosos sob carga e que

monitora o desempenho da construção subterrânea durante a construção e que

não há um conjunto de técnicas específicas da escavação e da sustentação. Muller

(1962) listou 22 princípios de NATM, existem sete características mais que está

baseado o NATM:

Mobilização da resistência do maciço rochoso, o método baseia-se

na resistência intrínseca do maciço circunvizinho que está sendo

conservado como o componente principal da sustentação preliminar

é dirigido para permitir a sustentação pela própria rocha.

Proteção por concreto projetado – o afrouxamento e a deformação

excessiva do maciço devem ser minimizados. Isto é, aplicando

(projetando-se) uma camada fina de concreto imediatamente após

do avanço da frente.

Monitoramento - a cada deformação da escavação deve ser medida

(monitorada). O método NATM requer a instalação de uma

instrumentação sofisticada para medir. É encaixado no revestimento

no piso e nos pinos de sustentação.

Suporte flexível – o revestimento preliminar é fino e reflete condições

recentes dos extratos. A sustentação usada é mais ativa que

passiva e o reforço não é feito por revestimento mais espesso de

concreto, mas por combinação flexível de cavilhas, de telas

metálicas e de aduelas reforçadoras de aço.

Page 26: Monografia de DIAS 27_03 R08

26

Preenchimento da secção basal (arco invertido)- o fechamento

rápido do “arco invertido” para criação de um anel de suporte de

carga é importante. Sendo crucial nos túneis em rochas brandas,

onde nenhuma seção do túnel deve ser deixada aberta, mesmo que

temporariamente.

Arranjos Contratuais- uma vez que o NATM é baseado em monitorar

medidas, mudanças nos métodos de sustentação e de construção

são possíveis, isto é acontece somente se o sistema contratual

possibilita tais mudanças. A classificação do maciço rochoso

determina as medidas da sustentação.

5.5. PRINCÍPIOS DO NATM

Os 22 princípios do NATM, segundo Muller (1965) estão descritos abaixo:

1- O elemento de suporte e maior carga estarão em torno do maciço

rochoso.

2- Por consequência, é um dos princípios mais importantes que preserva a

tensão original do maciço rochoso, o quanto for possível.

3- As dilatações devem ser mantidas perto do mínimo, isso reduz a

tensão.

4- Estados de tensão uniaxial ou biaxial devem ser evitados. Eles são

condições desconfortáveis para o maciço rochoso.

5- As deformações devem ser controladas de tal forma que o entorno do

maciço rochoso será mobilizado para formar uma carga em torno da

cavidade, enquanto um diminui a força da dilatação é realizado em um

nível aceitável, seguro e com elevada economia, onde esse controle é

bem executado.

6- Para atingir esta meta o suporte primário tem que ser instalado ao

mesmo tempo, não muito cedo e nem tão tarde. O suporte primário

assim como o revestimento final não deve ser muito duro e com tensão

suficiente.

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27

7- O especificado “fator tempo” do maciço rochoso (ou do sistema rocha

mais suporte primário), tem que ser estimado suficientemente exato.

8- Esta estimação tem que ser baseada no teste de carregamento no

laboratório e no campo e nas medições de deformação nos túneis,

Stand up- time, taxa de deformação e classificação do maciço rochoso

são meios de avaliar o “fator tempo”. O tempo de autos sustentação do

maciço, stand up-time, delimita o tipo e a velocidade de avanço das

escavações, pois como o próprio nome já diz, ele determina o tempo

que o maciço continua de pé, estável, sem deformar-se a ponto de

entrar em colapso.

9- Grandes deformações ou perda do maciço rochoso são esperadas que

o suporte primário devesse assegurar o completo contato com a

superfície a transferência de tensão na interface; que é mais bem

alcançada através do concreto projetado.

10-O revestimento primário deve ser fino e com baixa rigidez a flexão

assim, os momentos de flexão serão baixos e a ocorrência de fraturas

devido à flexão será minimizada.

11-O aumento necessário do suporte é atingido por arames adicionais,

reforço de aço, parafusos ancorados na rocha, mais espesso que o

revestimento.

12-Tipo e quantidade de suporte e o tempo de instalação são determinados

com base nos resultados das medidas de deformação.

13-Para a estática o túnel pode ser considerado como um tubo (grosso ou

um anel em 2 dimensões) constituindo em um maciço rochoso e

revestimento.

14-O arco invertido é importante toda vez que a rocha na região não é

suficientemente forte para atingi-lo.

15-O comportamento do maciço rochoso é determinado no momento da

finalização do arco invertido. As longas posições no topo levam a uma

finalização tardia no arco invertido; O revestimento primário no topo do

alinhamento do túnel sofre grandes momentos fletores (nas condições

do eixo do túnel) e as concentrações de stress acontecem na rocha, na

base das paredes laterais do topo.

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28

16-Com relação à distribuição de tensão, na face total da escavação pode

ser considerado mais favorável. Escavação parcial complica o processo

e pode diminuir o esforço do maciço.

17-Procedimentos de escavação e suporte ser importante pra a

estabilidade, influenciando também o “fator tempo” do maciço rochoso.

Variação de comprimento do arco, tempo do suporte, finalização.

18-Para evitar concentração de tensão que pode levar a rachaduras e

fraturas na rocha, cantos afiados devem ser evitados.

19-No caso de revestimento duplo, o mesmo deve ser preferencialmente

fino. A tensão normal deve ser transferida sobre o contato total da

superfície entre o revestimento interno e externo. A transferência da

tensão de cisalhamento na interface (coesão) deve ser baixa.

20-O sistema total-maciço rochoso e revestimento-geralmente devem ser

estabilizados pelo suporte primário. O revestimento final aumenta a

segurança, em águas subterrâneas agressivas, o revestimento final

deve ser capaz de estabilizar o maciço rochoso sozinho. Ancoragens

devem ser levadas em conta como medida permanente, apenas em

ambientes desfavoráveis a corrosão.

21-Para o controle de segurança e dimensionamento da estrutura do túnel,

são realizadas medições de tensões do concreto e tensões de contato

no limite entre maciço e revestimento. Essas medidas de formação são

continuadas.

22-A pressão estática da água sobre o revestimento é aliviada e a pressão

referente ao fluxo é reduzida através de uma drenagem adequada.

5.6.COMPORTAMENTO DO MACIÇO

Durante a construção de túneis em NATM é muito importante conhecer o

comportamento dos maciços perante as escavações. Percebendo isso, Terzaghi

(1950) criou uma classificação de solo baseada no tempo de auto suporte do

maciço, conhecido como o stand-up time. Essa classificação criada por Terzaghi

ficou conhecida como “tunnel man’s grouns classification”. Segundo THIAGO

(2006) essa classificação distinguem-se as seguintes categorias de solo:

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29

Solo firme - o solo é dito firme quando é possível executar o revestimento

antes do inicio da instabilização do maciço, ou antes, de ocorrerem deformações

significativas, ou seja, que possam trazer danos à estrutura do maciço.

Solo Desplacante - o maciço começa a se destacar após a exposição.

Estes desplacamentos levam a formação de cavidades ou capelas que podem

atingir a superfície. Para isso ocorra é necessário que o solo tenha alguma coesão.

Solo corrediço- são solos granulares sem coesão, os quais são instáveis

em ângulos maiores que seu ângulo de atrito segundo MURAKAMI (2001) citado

por THIAGO (2006).

Solo Extrusivo - são solos plásticos, que invadem o túnel através das

superfícies escavadas, sem formar fraturamentos ou descontinuidades.

Solo Fluente – neste tipo de maciço, o solo invade o túnel como um fluido,

estes solos perdem a coesão quando submetidos à água.

Solo Expansivo – estes solos aumentam de volume com a absorção de

água, invadindo lentamente o túnel. Este comportamento caracteriza-se por não

depender da ação da gravidade.

Figura 5 - apresenta o comportamento dos solos devido à escavação (MURAMAKI, 2001).

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30

5.7.CAMADA COLABORANTE DO MACIÇO

Este conceito mostra que para o maciço autoportante (figura 6), não

plastificáveis, o solo é capaz de redistribuir as tensões sem a necessidade de

revestimento sistemático. Ou seja, o próprio maciço forma um arco resistente ao

redor da cavidade, este fenômeno chama-se camada colaborante do maciço.

Figura 6 - Maciço autoportante (Modificado Solotrat, 2012).

O mesmo fenômeno verifica-se nos maciços não autoportante

(plastificáveis) e que necessitam de suporte sistemático para restringir as

deformações em níveis seguros. A colocação de suportes serve para

complementar a capacidade do maciço de absorver a redistribuição das tensões

induzidas pela escavação sem entrar em colapso.

A formação do arco colaborante é espontânea, mas pode ser

potencializada e a deformação controlada com a utilização de dispositivos

auxiliares como o uso de tirantes protendidos. A protenção tem a função de

incrementar as tensões de compressão que induzem a formação de um arco

espesso de maciço comprimido ao redor da escavação.

Na maioria dos casos a utilização de tirantes e a consequente mobilização

de uma cavidade adicional de suporte do maciço são suficientes para suportar a

cavidade. O restante de revestimento tela e concreto projetado, ou mesmo

cambotas metálicas são utilizadas para conter pequenos volumes que possam

destacar-se entre os tirantes.

Suporte

Arco invertido

Maciço autoportante

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31

A utilização dos tirantes é chamada de suporte ativo, pois induz tensões ao

maciço, enquanto que o concreto projetado, cambotas e chumbadores (sem

protenção), são chamados de suporte passivos, pois só trabalham quando

solicitados pelo maciço, quando este tende a deslocar-se.

Figura 7 - Maciço que necessitou de intervenção (Tecnogeo, 2010).

Se a capacidade portante do maciço é total é dito que o maciço é

autoportante, ao contrário a capacidade é apenas parcial, o maciço é dito não

autoportante necessitando, portando de suporte adicional.

Rabcewicz (1954) percebeu, através de observações realizadas ao longo

do desenvolvimento do NATM, que a associação de tirantes sistemáticos ao

concreto projetado formava o sistema de estabilização ideal para rochas altamente

fraturadas ou intemperizadas e mesmo em formações expansivas.

Para comparar suas ideias Rabcewicz (1954) realizou uma série de

experiências que se tornaram clássicas, e a experiência que, mas comprova a

teoria do arco colaborante é executada da seguinte maneira:

Sobre um suporte em forma de arco, uma estrutura em pedregulho,

protegida por uma fina tela metálica, e com aplicação sistemática de delgados

tirantes metálicos. Sobre esse arco pedregulho uma carga de areia simulava a

cobertura de um túnel. Aplicando paulatinamente um aumento de tensão nas

porcas dos tirantes, as forças introduzidas no arco de pedregulho levaram o

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32

mesmo a se elevar, destacando-se do suporte que pode assim ser retirado sem

qualquer dano.

Essas experiências comprovam a validade do principio de atirantamento de

um anel colaborante de terreno. As ancoragens reduzem a influência da

anisotropia e da falta de homogeneidade e garantem uma forte tensão residual no

arco portante. Além disso, os arcos secundários que são gerados no terreno entre

as ancoragens, aumentam a capacidade portante do mesmo.

Cuidados executivos

Escavações excessivas aliadas a cambotas metálicas não

convenientemente encunhadas, provocam deformações excessivas

que desarticulam o maciço levando à perda da sua capacidade de

auto suporte.

Este mesmo fator pode levar a revestimento muito espesso, com

rigidez elevada, que impede o deslocamento controlado do maciço,

prejudicando o alivio de tensões geradas pelo arqueamento do

maciço.

Revestimentos muito delgados e flexíveis ou instalados tardiamente

podem ocasionar deformações e o colapso do túnel pela perda da

capacidade auto portante do maciço.

Escavações de rocha, a fogo, podem degradar o contorno da

escavação quando o plano de fogo não é compatível com maciço

circundante e provocar deformações excessivas.

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33

Figura 8 - Atirantamento do maciço para criação da camada colaborante (Este Engenharia, 2012).

5.8.PARCIALIZAÇÃO DA SEÇÃO

Já mencionado anteriormente, que um dos princípios do NATM é a

parcialização da seção de escavação, com o fechamento mais rápido possível da

seção. Infelizmente nem sempre o melhor é o exequível, quer pela limitação de

equipamentos, quer pela limitação do próprio maciço.

Não são raros os dois aspectos ocorrerem simultaneamente. É o caso de

seções de grande diâmetro onde os equipamentos convencionais não são capazes

de executa-las em uma única etapa, por outro lado grandes seções, via de regra,

demandam tempos de ciclo de escavações e a aplicação dos suportes muito

longos, tornando-os incompatíveis com o tempo de auto sustentação (não

confundir com capacidade autoportante) do maciço no passo de avanço executado.

Um fator muito importante que pode levar a impossibilidade de escavações

em etapa única é a instabilidade da frente que condiciona as dimensões da

escavação e a necessidade da presença de núcleo frontal, para sustentação da

frente de escavação até aplicação do concreto projetado na calota do túnel.

Algumas formas clássicas de parcialização são apresentadas nas figuras 9

á 14 a seguir:

Maciço autoportanteTirantes

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34

Figura 9 – Corte da Seção superior do túnel (solotrat, 2010).

Figura 10 - Corte da Seção inferior do túnel sob a ferrovia 682 (solotrat, 2010).

Visando o aspecto econômico, nas galerias de avanço são usadas

cambotas onde o revestimento faz parte da seção final do túnel. Nas partes que

serão demolidas usa-se malha de aço, sempre que possível. No arco invertido

provisório também são usadas malhas de aço simples ou duplas.

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35

A parcialização da seção depende basicamente:

Dos tipos de equipamentos utilizados;

Do tempo necessário para instalar as cambotas;

Do tempo necessário para o concreto projetado adquirir a resistência

necessária;

Do stand-up-time do solo, que depende também das dimensões da

abertura.

Figura 11 - Exemplos de parcialização de seções (Solotrat, 2012).

Figura 12 – Parcialização Seção Túnel Oeste na Vila Madalena de São Paulo - Metrô

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36

Figura 13 - Parcialização da Seção - Assis 2005

Figura 14 - -Parcialização da Seção - Assis 2005

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37

5.9.ARCO INVERTIDO (“INVERT”)

Outro importante princípio do NATM é o fechamento mais rápido possível

da seção. Mas nem sempre isto é possível para maciços constituídos por solos e

rocha branda, devido às dificuldades de escavações com necessidade de

parcialização da seção e suportes provisórios para que ocorra um alivio de pressão

nas paredes do túnel de forma lenta e não ocorram acidentes com deslizamento.

Segundo Muller (1965) estrutura fechada é aquela que possui o

fechamento completo, formando um tubo de paredes espessas, composto por um

anel de maciço e suporte, este tubo fica imerso no maciço que pode ser

considerado como meio elástico ou elastoplástico, dependendo da natureza do

maciço e da velocidade de carregamento.

O arco invertido, também é conhecido como invert.

A forma aproximadamente circular da casca é que permite a melhor

distribuição das tensões do maciço sobre o revestimento. O arco invertido trabalho

tanto como fundação como elemento de travamento lateral da casca. Como

fundação, o invert distribui as cargas para o maciço. Já como elemento de

travamento, proporciona uma componente de força horizontal para equilibrar os

empuxos laterais.

Figura 15 - Função do Arco Invertido - (a) fundação; (b) Função de Travamento (Murakami, 2001).

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A quantidade máxima de avanços permitida sem o fechamento do arco

invertido é definida em projeto e deve ser rigorosamente obedecida, normalmente

tem que ser executados arcos invertidos provisórios (figura 16) até a instalação do

definitivo da obra.

Figura 16 - Demolição do arco invertido provisório - Metro Santigo Chile, 2009.

5.10. ”STAND-UP-TIME”

A abertura de um espaço vazio horizontal em solos de moderada coesão,

friáveis ou fissurados, faz com que esses solos se deformem gradualmente até ao

desprendimento de fragmento, sendo que com o decorrer do tempo aumenta a

quantidade do material desprendido do teto sem suporte, deixando uma cavidade

de dimensões crescentes. O tempo que decorre entre a abertura da escavação até

ao inicio do processo de desintegração, é denominado “stand-up-time” do solo.

5.11. INSTRUMENTAÇÃO

A instrumentação tem fundamental importância no NATM. Que visa

monitorar o comportamento, tanto do maciço, quanto do suporte durante todo o

processo de execução da obra, e do maciço em todas as regiões circunvizinhas,

durante seu avanço e as condições dos trechos já escavados.

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39

Uma das características do NATM é que o projeto é revisado e

retroalimentado à medida que as constatações de obra, através das leituras da

instrumentação mostrem que as hipóteses adotadas no projeto tenham levado a

uma concepção contra a segurança da estrutura.

Também através da instrumentação, se consegue obter a intensidade das

vibrações e deslocamentos provocados pelo uso dos explosivos. Este

monitoramento é realizado através de medições dos deslocamentos durante a

execução de túneis, através de medidas de convergência, Tassômetro,

Inclinômetro, marcos superficiais, piezômetros, dentre outros de acordo com o

quadro1.

Tabela 1 - Instrumentos x Finalidades

Instrumento Finalidade

Marco Superficial Nivelamento Topográfico de terreno

Tassômetro Recalque do maciço

Piezômetro Pressão da água dentro do maciço

Medidor de nível d’água Nível do lençol freático

Inclinômetro Detectar movimentos laterais e frontais do

maciço

A monitoração tem como finalidade complementar e não substituir o

acompanhamento da escavação, o mapeamento geológico. A verificação de

conformidades e demais informações de campo. Ela visa garantir que os recalques

e distorções induzidas pela escavação situem-se dentro de limites aceitáveis. Em

áreas urbanas, esta limitação de recalques é essencial para evitar danos a

edificações e utilidades próximas ao túnel.

Sendo assim, na construção de túneis a instrumentação é um dos

elementos fundamentais para a avaliação do desempenho da estrutura e para

garantir a segurança da obra através da interpretação dos deslocamentos. As

principais funções da instrumentação são:

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Garantir a segurança da obra, monitorando o comportamento do

maciço e das estruturas face aos efeitos da execução do túnel.

Através do monitoramento, procura-se detectar antecipadamente

eventuais mecanismos de colapso, os quais indicarão a necessidade

de aplicação de medidas corretivas.

Permitir a avaliação do comportamento maciço-estrutura real. Os

resultados da instrumentação subsidiarão a realização de revisões e

aprimoramento do projeto e do método construtivo através da

reavaliação das hipóteses.

A instrumentação está dividida em:

Instrumentação Externa

Instrumentação Interna

5.11.1. A INSTRUMENTAÇÃO INTERNA

Internamente, a instrumentação consiste na instalação de pinos para

medidas de convergência e inclinômetro para detectar a movimentação vertical da

calota e células de pressão para verificar a tensão nas paredes, calota e fundo do

túnel, para uma posterior analise do comportamento do maciço.

5.11.2. A INSTRUMENTAÇÃO EXTERNA

Externamente a instrumentação consiste em:

Controle do Maciço: visa controlar os recalques na superfície, por meio de

um nivelamento topográfico (marcos superficiais), e no interior do maciço

(tassômetros). Ambos funcionam da mesma forma, diferenciando-se apenas

na profundidade em que são instalados; o primeiro fica a aproximadamente

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41

1metro da superfície do terreno enquanto o segundo fica a 2 metros da

superfície do túnel.

Controle das edificações: visa controlar os recalques em estruturas

vizinhas. Utilizam-se pinos de recalque. Estes pinos são chumbados nas

paredes das edificações e, a partir daí, mede-se a cota deles dia a dia. A

quantidade de pinos instalada depende do estado de conservação das

edificações e da proximidade das mesmas em relação à escavação.

Controle do nível D’água: através de piezômetros, monitora-se a variação

do nível de água do maciço, sendo esta informação bastante relevante

durante e após a execução da obra, pois pode ser prejudicial ao concreto

de estruturação do túnel, alterando a vida útil do mesmo.

Vale ressaltar que a execução da monitoração não é garantia de segurança

contra acidentes, uma vez que:

Os instrumentos são instalados pontualmente o que não garante que

ocorra alguma anomalia ocorra fora da área de influência dos

instrumentos;

O resultado da instrumentação está sujeito a erros, uma vez que depende

de mão-de-obra humana para a instalação, leitura, armazenamento de

dados e interpretação.

Portanto, a instrumentação deve ser encarada como um instrumento

auxiliar para melhorar a segurança, juntamente com as observações visuais e os

relatos pessoais dos técnicos e trabalhadores e da comunidade sobre o

aparecimento de trincas, ocorrência de ruídos estranhos, alteração de materiais,

etc.

Esses esquemas de instrumentação (figura 17) devem ser mantidos num

raio de ação que deve abranger distancia da ordem de duas vezes o diâmetro do

túnel, tanto na frente da face escavada como atrás da face escavada.

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Figura 17 - Ilustração esquemática da instrumentação - (MURAKAMI, 2001).

Definido o projeto da instrumentação, deve ser elaborado um programa de

leituras. Este programa deve definir a frequência das leituras, os horários e a

sequência para eliminar o máximo as oscilações de valores devidos a fatores

externos, tais como: temperatura, oscilações de valores devidos a fatores externos,

tais como: temperatura, oscilações naturais da região, etc.

A interpretação dos dados deve ser realizada de forma a buscar qual

evento provocou cada movimento identificado pela instrumentação. A velocidade

do processo de coleta, apresentação e interpretação dos dados é à base da

segurança das obras de túneis, uma vez que a eficiência da intervenção no

combate a um mecanismo de colapso é tanto maior quanto mais rápida ela for

realizada.

A instrumentação também fornece os dados que serão utilizados para

definir como será feito o avanço. No NATM dados oriundos das instrumentações de

campo têm papel muito importante, pois eles permitem medir o desenvolvimento

das deformações, o alívio das tensões e consequentemente, a interação entre

suporte e maciço circundante, além disso:

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Alertam para situações imprevistas, possibilitando tomar decisões

rápidas;

Fornecem subsídios para aferir as hipóteses iniciais do projeto,

permitindo adaptações e correções do método construtivo, ajustando

o espaçamento entre as cambotas e os tratamentos previstos.

Promovem condições para melhorar o desempenho da obra quanto

à produtividade, segurança, economia e qualidade, através da

interpretação das leituras dos instrumentos associada aos

observados na obra. Com estas informações pode-se alterar o

tempo de avanço, visto às dificuldades encontradas no entorno da

obra, ou do próprio estado de tensões do maciço.

5.12. PROCESSO DE ESTABILIZAÇÃO

A aplicação do NATM só é possível quando a superfície escavada

apresenta estabilidade durante algumas horas após a escavação, de modo a

permitir a colocação das cambotas, tela de aço ou tirante e a aplicação da 1º

camada de concreto projetado.

A estabilidade necessária, quando não provida pela natureza, pode ser

obtida por um dos seguintes métodos abaixo, antes do inicio da escavação:

Drenagem-rebaixamento do lençol freático

Injeções de calda de cimento ou químicas

Enfilagens

Congelamento

Agulhamento

5.12.1. DRENAGEM-REBAIXAMENTO DO LENÇOL FREÁTICO

A drenagem ou rebaixamento do lençol freático tem o objetivo de aliviar as

pressões de água no maciço a ser escavado.

Essa drenagem pode ser executada por gravidade, que consiste na

execução de furos no maciço e instalação de drenos sub-horizontais (DHP) na face

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44

de escavação e paralelos ao eixo do túnel e também abrindo para as laterais.

Quando se deseja reforçar a estabilização promovida pela drenagem gravitacional,

fazendo com que a percolação não aflore com fluxo emergente instabilizador, ou

quando se deseja aumentar o potencial drenante, recorre-se ao acoplamento do

sistema a vácuo às ponteiras drenantes. Esses processos são mais recomendados

para os solos finos mais instáveis, como as areias e os siltes, e especialmente no

caso dos saprólitos. A figura 18 apresenta o esquema de um dreno horizontal

profundo.

Figura 18 - Dreno Horizontal Profundo (ODEBRECHT, 2005).

O rebaixamento do nível d’água abaixo do piso do túnel, quando

necessário para dar estabilidade aos “pés” da calota na fase de execução do

rebaixo, é obtido por meio de drenos sub-horizontais laterais e drenos semi–

verticais executados a partir de frente de escavação. Os drenos sub-horizontais

podem ser operados por gravidade e ou vácuo enquanto os semi-verticais são

sempre a vácuo.

5.12.2. INJEÇÕES

As injeções podem ser executadas com calda de cimento ou através de

produtos químico (silicato de sódio), muito utilizado em maciço rochoso com alto

grau de faturamentos. Os furos de injeção são executados longitudinalmente a

partir de frente de serviço com pequena inclinação e radialmente ao trecho

escavado formando um leque.

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45

É importante ressaltar que só devem ser usadas pressões de injeção a

baixas e a media pressão, pois se aplicado à alta pressão podem piorar o grau de

fraturamentos da rocha.

5.12.3. ”JET GROUTING”

O “jet grouting” consiste na desagregação do solo por meio de jato de calda

de cimento a alta velocidade, formando colunas de solo e cimento no interior do

maciço. Estas colunas podem ser verticais, horizontais ou inclinadas, isoladas ou

encostadas umas nas outras, ou mesmo secantes, com o comprimento desejado

dentro do maciço.

Para estabilização do maciço ao redor do túnel é preferível à utilização de

colunas verticais, por serem mais fáceis de executar e de menor custo. As colunas

horizontais só devem ser executadas quando existem obstáculos na superfície que

empeçam a execução das colunas verticais, ou quando a profundidade é muito

grande, o que pode compreender o direcionamento até a posição correta.

5.12.4. ENFILAGENS

As enfilagens destinam-se a estabilizar a parte superior da calota antes da

escavação, sendo executadas a partir da face da escavação.

O tipo mais usual é um tubo de aço 100 mm cravado no maciço sub-

horizontalmente, com comprimento de 10 a 12 m, permanecendo 8 a 9 m efetivos e

2 a 3 m para transpasse, o tubo pode receber um vergalhão adicional de aço, para

maior resistência, e injetado com argamassa de cimento, a baixa pressão.

O espaçamento entre os furos varia normalmente de 20 a 50 cm, conforme

o tipo de solo ou rocha, a cada escavação as enfilagens são sempre escoradas por

cambotas de aço.

5.12.4.1. AS ENFILAGENS DISCRETAS

Page 46: Monografia de DIAS 27_03 R08

46

As enfilagens discretas funcionam de forma a reduzir o vão de

desplacamentos do solo, pois, ao invés do solo se apoiar no maciço a frente da

escavação e no revestimento que vem logo atrás ele passa a se apoiar nas

enfilagens.

5.12.4.2. AS ENFILAGENS JUSTAPOSTAS

As enfilagens justapostas forma uma superfície continua e são utilizadas

quando se tem solos não coesivos ou com problemas de infiltração com

carregamento de material e quando se deseja o efeito de pré-revestimentos, ou

seja, suporte.

5.12.4.3. AS ENFILAGENS CURTAS

As enfilagens curtas são utilizadas como suporte de teto, somente se o

maciço imediatamente a frente da escavação possuir capacidade para suportar a

reação vertical de apoio da mesma.

5.12.4.4. AS ENFILAGENS LONGAS

As enfilagens longas são utilizadas quando a frente de escavação tem

problemas de estabilidade ou resistência, permitindo o apoio das mesmas no

interior do maciço. As figuras 19 e 21 apresentam as secções transversais e

longitudinais das enfilagens. Neste caso devem ser devidamente dimensionadas à

flexão. A figura 20 apresenta a máquina perfuratriz de enfilagem.

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Figura 19 - Enfilagens - Seção Transversal (MURAMAKI, 2001).

Figura 20 - Perfuratriz para executar enfilagens (tecnogeo)

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48

5.12.5. CONGELAMENTO

O congelamento é normalmente obtido por meio de ponteiras cravadas no

maciço que conduzem nitrogênio liquido. As ponteiras são cravadas a partir da

superfície do terreno. Quando a cobertura é pequena, ou a partir de uma galeria,

no caso de grandes coberturas, com o intuito de formar uma capa de material

congelado sobre a calota do túnel. No caso de impossibilidade de se cravar as

ponteiras a partir da superfície do terreno, pode-se fazer a cravação a partir da

frente de araque, em todo o perímetro do túnel.

Devido ao seu elevado custo, o processo de congelamento somente deve

ser utilizado em situações especiais, nas quais existiam trechos de solos moles e

saturados, de difícil drenagem e difícil injeção.

Figura 21 - Enfilagens - Seção Longitudinal (MURAKAMI, 2001, CITADO POR THIAGO 200).

Page 49: Monografia de DIAS 27_03 R08

49

5.12.6. AGULHAMENTO

Segundo (THIAGO, 2006) O processo de agulhamento da face do túnel

mostrado na figura 22, é necessário quando a face de escavação não é suficiente

estável para configurar um talude. Este processo consiste na cravação de tubos de

fibra de vidro de pequeno diâmetro na face escavada, atingindo profundidades

entre 4 e 8 metros, dependendo da consistência do material. A cada ciclo de

avanço da escavação estes tubos são rompidos e removidos juntamente com o

material escavado.

Figura 22 - Agulhamento (ODEBRECHT, 2005 - CITADO POR THIAGO 2006).

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50

5.13. CAMBOTAS – TIRANTES - TELAS DE AÇO

As cambotas destinam-se a suportar as cargas do terreno nos primeiros

dias, enquanto o concreto projetado não adquire a resistência adequada.

Usualmente são empregados dois tipos de cambotas:

Perfil de aço laminado;

Treliça de ferro redondo.

Antes da instalação da cambota é importante a aplicação de uma camada

de concreto projetado de 2 a 5 cm de espessura para selar o terreno, impedindo

queda de material da superfície do terreno recém-escavado.

Logo após a instalação da cambota é muito importante que o espaço entre

o extradorso da cambota e o terreno seja preenchido imediatamente, e em seguida

é feito o procedimento entre as cambotas até a espessura especificada em projeto.

As cambotas treliçadas têm as seguintes vantagens em relação à cambota

de perfil, devido ao menos peso por metro e ter uma maior aderência à superfície

do terreno.

Dependendo do tipo do material do maciço e da seção do túnel, o

espaçamento entre cambotas varia de 0,60 a 1, 20 metros. A figura 23 apresenta a

auto sustentação do concreto projetado na cambota e a figura 24 e 25 apresentam

as cambotas e detalhe de seu emprego num túnel.

Figura 23 - Auto sustentação do concreto projetado na cambota (MURAMAKI, 2001).

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Figura 24 - Cambotas utilizadas no Emboque do Túnel 2 leões Salvador - BA 2004 (THIAGO 2006)

Figura 25 - Detalhe instalação da cambota (ABTC).

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52

5.13.1. TIRANTES

Na escavação de tuneis em rocha pelo NATM, os tirantes são usados para

estabilização da camada do maciço circundante ao túnel escavado,

desempenhando papel similar ao das cambotas metálicas. Os tirantes são em

geral conjugados com tela metálica e concreta projetada. A figura 26 mostra os

componentes de um tirante.

Figura 26 - Detalhe típico de um tirante – (SOLOTRAT, 2012).

5.13.2. MALHAS DE AÇO

A malha de aço soldada é usada singelamente ou combinada com cambota

e tirantes, dependendo das condições geológicas do maciço, as malhas de aço são

fixadas sobre a 1º camada de concreto por meio de pinos, e colocada entre as

almas dos perfis metálicos das cambotas. A figura 27 mostra a ancoragem com

tela metálica.

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53

Figura 27 - Ancoragem da tela metálica (LINS, 1999).

5.14. CONCRETO PROJETADO

O concreto projetado atua por forte aderência e coação contra o terreno,

imobilizando os seus formadores e obrigando o maciço a suportar a carga em

integração com o próprio concreto.

É muito importante ter em mente que o concreto projetado não atua do

mesmo modo que um arco de concreto moldado, ou seja, absorvendo as cargas e

descarregando-as nas bases do arco.

Enquanto são realizadas as etapas supra referidas, procedem-se à

dosagem do concreto que será utilizado na estrutura do túnel (traço: 880 kg de

areia, 925 kg de brita, 500 kg de cimento, 35 kg de fibra de aço, 186 kg de água, 1,

586 kg de Meyco aditivo acelerador de pega) na central de concreto, que está

localizada na própria obra de modo a possibilitar a sua colocação no caminhão

betoneira no momento oportuno.

Antes de ir para a betoneira, os agregados que serão utilizados no concreto

passam por ensaios de umidade, para permitir a correção da adição de água, de

modo a garantir o valor do fator água/cimento necessário para a qualidade do

mesmo. A figura 28 mostra a aplicação do concreto projetado numa via.

Page 54: Monografia de DIAS 27_03 R08

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Figura 28 - Aplicação de concreto projetado (SOLOTRAT, 2012).

Essa aplicação de concreto projetado também pode ser executada por um

robô de projetar concreto (figura 29), conforme foi feito em alguns trechos.

Figura 29 - Esquema do equipamento de concreto projetado (BETO, 2000).

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O concreto projetado pode ser de dois tipos, seco ou úmido; a escolha do

concreto projetado de via seca se da pelo fato de que a extensão do túnel é

pequena, não necessitando de muita produção. Além disto, o alto custo de

aplicação (equipamento + concreto) e a dificuldade de encontrar um traço

adequado inviabilizaram o uso do concreto projetando via úmida.

Depois de pronto, faz-se o controle tecnológico do concreto par verificar se

atende às exigências de projeto. Para isso, eram moldados 24 corpos de prova por

mês e realizavam-se inúmeros ensaios para conferir se as características de

campo conferiam com as características solicitadas no projeto.

Resistência à compressão às 10h>7, 5 Mpa.

Resistência à compressão às 24h>12 Mpa

Resistência à compressão aos 3 dias >20 Mpa

Resistência à compressão aos 28 dias >25 Mpa

Absorção a água <8%

Penetração de água sob pressão <60 mm

Volume de vazios >2200 kg/m³

Massa Especifica > 2200 kg/m³

5.15. TENSÕES VIRGENS OU TENSÕES NATURAIS

Segundo Hoek e Brown (1980) o estado de tensões virgens ou também

denominada estado de tensões naturais é aquele ocorrente em um maciço

rochoso, a uma dada profundidade, na ausência de perturbação causada por obras

de engenharia.

Fundamentalmente, a origem das tensões virgens na crosta terrestre é

devida ao peso das camadas de solos ou rochas existentes desde a superfície até

o ponto, no interior do maciço, onde se deseja conhecer as tensões. Estas são as

tensões de origem gravitacional, (Serra Jr, 1998).

Segundo Mello (2003) outro fator também causador de tensões virgens são

os movimentos tectônicos, que são originados pelo deslocamento das massas

rochosas, imposta por forças originadas no interior da terra. A manifestação destes

movimentos que se desenvolvem na litosfera, são as tensões tectônicas originada

na crosta rígida onde se situam os maciços rochosos.

Page 56: Monografia de DIAS 27_03 R08

56

Segundo Hoek e Brown (1980) citado por Hudson e Harrison (1997)

basicamente a componente vertical das tensões horizontais tem sua principal

origem nas forças tectônicas. São as forças tectônicas que causam deformações

nas rochas, criando nelas os corpos rochosos intrusivos, como os diques e sills e

as estruturas, que somados ao intemperismo químico e a processos erosivos,

originados maciços nas suas conformações atuais, cuja natureza descontínua,

heterogêneas anisotrópica, em geral vem associada com o comportamento não

linear e não elástico.

A determinação do tensor de tensões in-situ (tensões naturais) é de

fundamental importância para o projeto e consequentemente para o

comportamento da obra subterrânea. Num ponto qualquer abaixo da superfície as

tensões são:

x, y, z e também as tensões cisalhantes;

É comum a hipótese de que as tensões verticais (z) e horizontais (x e

y) serem tensões principais, sendo, portanto as cisalhantes nestes planos iguais

a zero. A tensão vertical é comumente assumida como a pressão geostática:

z = y.z (5.1)

Esta expressão normalmente apresenta bons resultados quando

comparados com as medições de campo. Os piores resultados ocorrem somente

em regiões dobradas onde haver concentração e/ou alivio de tensões devido ao

efeito arco das dobras.

Já nas tensões horizontais são normalmente expressas em função da

tensão vertical e do coeficiente de empuxo ao repouso ko, ou simplesmente

coeficiente de relação entre tensões k:

x = kox. z (5.2)

y = oy. z (5.3)

Sendo assim determinar as tensões horizontais se resume a determinar ko

no sentido da tensão horizontais desejada.

Page 57: Monografia de DIAS 27_03 R08

57

5.15.1. ESTIMATIVA DE KO

Existem na literatura diversas expressões com intuito de estimar ko:

O coeficiente ko por assumir o maciço em repouso estará entre os

coeficientes de empuxo ativo e passivo: ka<ko<kp

Regra de Heim: os maciços tendem a equalizar as tensões

diferentes que atuam sobre eles, ao longo do tempo geológico; ou

seja, ko tende a um com a profundidade porque longe da superfície

e dos processos de intemperismo os maciços conseguem equalizar

as tensões diferentes: ko1 c/ a profundidade.

Teoria da Elasticidade: representa camadas estratificadas sofrendo

sedimentação, considerando a extensão lateral igual à zero:

Ko = / (1 – ) z (5.4)

Fórmula de Jacky: ko = 1 – sen

Como podem ser observadas, estas fórmulas são bastante limitadas,

servindo muito mais como diretrizes preliminares do que como estimativa dos

valores de ko. Além do mais, ko pode sofrer diversa influencias que tornam o seu

valor muito variável, sendo uma das grandezas mais difíceis de serem avaliada.

5.15.2. FATORES QUE AFETAM KO

Os fatores que mais afetam o valor de ko são:

Topografia

Soerguimento (alivio de tensão vertical)

Tectonismo (dobras, falhas, orogênese).

Tropicalização (formação de estruturas porosas)

Page 58: Monografia de DIAS 27_03 R08

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5.15.3. MEDIÇÃO DE KO

Devido á importância de ko e a dificuldade de estimar o seu valor deve-se

recorrer a sua medição em laboratório ou através de ensaios de campo

Ensaio triaxial ko

Ensaio tipo macaco plano

Ensaio tipo dilatõmetro pressiõmetro

Ensaio de fraturamento hidráulico

5.16. TENSÕES INDUZIDAS

Uma vez determinado ás tensões in-situ, a construção da abertura vai

causar uma redistribuição de tensões ao seu redor. Estas tensões induzidas são

em função das tensões in-situ e da geometria (forma e dimensões) da própria

abertura.

Para geometria simples e meios homogêneos, as tensões induzidas podem

ser calculadas por expressões analíticas.

A expressão mais conhecida é a formula de Kirsh (1898). Este modelo foi

inicialmente concebido para a análise de chapas metálicas providas de orifícios

circulares (estado plano de tensões), sendo posteriormente modificadas para as

seguintes hipóteses:

Maciço homogêneo e infinito

Túnel com seção transversal circular;

Estado plano de deformações;

Túnel profundo

Entende-se por túnel profundo aquele onde a relação entre a profundidade,

medida a partir de seu centro, e o raio da escavação seja igual ou superior a cinco

(Z/a > 5). A formulação de Kirsh admite a nomenclatura indicada abaixo se

variando e podem-se calcular as tensões atuantes e que qualquer ponto ao redor

da abertura.

σ r=12. pz .[ (1+k 0 ) . (1−α

2 )+(1−k 0 ). (1+3α 4−4 α2 ) .cos2θ ] 5.5

Page 59: Monografia de DIAS 27_03 R08

59

σ θ=12. pz .[ (1+k0 ) . (1−α

2 )−(1−k 0 ). (1+3α 4 ) .cos2θ] 5.6

τ rθ=−12. pz .[(1−k0 ) . (1−3 α4+2α 2 ) . sen2θ] 5.7

Onde a = a/r

Sabe–se que σ r e σ θsão tensões principais quando τ rθ for nulo. Pode-se

verificar através da analise das equações propostas acima que τ rθ será nulo nas

seguintes situações:

Sen2 = 0 =0º ou =90º;

K0 = 1;

1−3 α4+2α 2=0 =1, ou seja, a = r.

Através de uma analise mais detalhada para K0 = 1 (τ rθ= 0) pode-se notar

que:

r=paz (1-²) 5.8

=paz (1+²) 5.9

Os valores de r e dependem apenas de p, z, a e r, independendo dos

valores do ângulo . Observa-se também que r, diminui do mesmo valor que

aumenta na mesma proporção.

Para K0 ≠ 1, r e τ rθ sempre tendem a zero na face de escavação do túnel,

sem a presença de suporte. Também os valores das tensões serão diferentes para

cada valor de r e . Como as expressões de r e dependem de sen2 os seus

Page 60: Monografia de DIAS 27_03 R08

60

valores passam a ser repetidos após 180º. Como também a função seno é

simétrica de zero a 180º, em torno de 90º, basta calcular as tensões de zero a 90º.

Existem outras formulações analíticas tais como Neuber para elipses,

Mindlin para túneis circulares rasos etc., mas todas para meios homogêneos.

Quando a geométrica se torna complicada, mas o meio continua homogêneo e

elástico, é possível o uso do Método dos Elementos de Contorno (Programa

EXAMINE ou TUNELMEC).

Já para meios heterogêneos, são necessárias ferramentas numéricas mais

poderosas como o método dos elementos finitos ou o método das diferenças finitas

(Programa PLAXIS, FLAC). Um novo método, elementos Distintos (Programa

UDEC), parece ser uma boa solução para meios fraturados, onde é importante

representar os deslocamentos dos blocos de rocha em torno da abertura.

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6. ESTUDO DE CASO

Neste trabalho é apresentado um estudo de caso com a simulação

numérica de um túnel, com diâmetro nominal de 8 metros e recobrimento de 15

metros. Onde se tentou reproduzir a sequência completa da construção, com a

fase de escavação e aplicação de suportes.

Para tal, os perfis transversais correspondentes às secções condicionantes

foram modelados com o auxilio do programa de cálculo automático por métodos

infinitos Plaxis 2D Tunnel, onde foram adotados a formulação de Mour-Coulumb e

os dados do solo extraídos da tese de doutorado do professor Dr.º João Carlos

Batista Jorge da Silva.

6.1. ESTRUTURA DO PLAXIS

O programa Plaxis 2D – Versão 8.2 foi desenvolvido pela da empresa

Plaxis, sendo um programa de elementos finitos para análise bidimensional e

simulação em engenharia geotécnica, onde sua premissa básica é a utilização

comercial por pessoas não necessariamente especialistas em análises numéricas

(Baptista 2005).

O Plaxis funciona em ambiente Windows e sua estrutura está dividida em

quatro subprogramas: entrada de dados (Input), fase de cálculo (Calculations),

saída de dados (Output) e edição de curvas (Curves). (Martins, 2003). Segundo

Baptista (2005) o Plaxis 2D permite a geração automática da malha bidimensional

onde a geometria é dividida automaticamente em elementos triangulares gerando

uma malha 2D que poderá ser refinada global ou localmente. Disponibilizando

elementos triangulares isoparamétricos de seis e quinze nós.

6.1.1. ENTRADA DE DADOS - (INPUT)

O Input consiste em um subprograma de entrada de dados. Neste

subprograma o usuário define os dados do problema, como o modelo e o tipo de

elemento que será usado na análise, à geometria e as condições de contorno,

Page 62: Monografia de DIAS 27_03 R08

62

além das propriedades dos materiais envolvidos. Ainda, gera-se a malha de

elementos finitos e são definidas as condições iniciais do problema.

6.1.2. MODELO E TIPO DE ELEMENTO FINITO

No Plaxis, os problemas a serem analisados podem ser modelados para as

condições de Deformação Plana e de Axissimetria. O modelo de deformação plana

é muito utilizado para análises de obras geotécnicas (barragens, túneis, fundações

corridas, etc.). Fisicamente, tal estado ocorre em estruturas longas com

carregamento uniforme ao longo da maior dimensão do corpo. Devido a grande

dimensão, qualquer seção transversal assumida será considerada como seção de

simetria e não apresentará deformação perpendicular ao seu plano. Pelo efeito de

Poisson, as tensões na direção da maior dimensão são não nulas.

Os problemas axissimétricos são particularizações do estado plano de

deformações em coordenadas cilíndricas. Neste caso, existe um eixo de simetria

axial no corpo.

O processo de geração da malha é automático, e a geometria é dividida em

elementos triangulares isoparamétricos de 6 ou 15 nós. No primeiro a interpolação

é de segunda ordem para cálculo dos deslocamentos e a matriz de rigidez é

avaliada por integração numérica em três pontos de Gauss. No segundo a

interpolação é de quarta ordem e a matriz de rigidez é avaliada em 12 pontos de

Gauss.

6.1.3. CÁLCULO

Neste subprograma, o usuário define o tipo de análise que será realizada.

As análises disponíveis para deformações são as Plásticas (Plastic Calculation), as

de Adensamento (Consolidation Analysis) e as de Determinação do Fator de

Segurança (Phi-c reduction) e são adotadas como a seguir:

Cálculo Plástico: são selecionados para análises elasto-plásticas, onde não

há necessidade de levar em consideração o tempo.

Page 63: Monografia de DIAS 27_03 R08

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Análise de Adensamento: são selecionados em casos onde se tem geração

e dissipação de poro-pressões como uma função do tempo.

Determinação do Fator de Segurança: são cálculos do fator de segurança

onde os parâmetros de resistência do solo são sucessivamente reduzidos

até que ocorra a ruptura.

6.1.4. SAÍDA DE DADOS – (OUTPUT)

Neste subprograma o usuário obtém a saída de dados do cálculo realizado.

O programa gera a malha deformada.

Podem ser avaliadas as tensões (totais e efetivas), deformações,

deslocamentos e pontos de plastificação. A fase no qual o usuário tem interesse

em avaliar os resultados dos cálculos deve ser selecionada no subprograma de

Cálculo. Os resultados podem ser visualizados através da interface gráfica ou em

forma de tabelas.

6.1.5. CURVAS (CURVES)

Neste programa é possível gerar as curvas de tensão versus deformação,

força versus deslocamento e trajetórias de tensões obtidas nas análises. Os pontos

(nodais ou de tensão), para os quais se deseja a obtenção das curvas.

6.2.SIMPLIFICAÇÕES EMPREGADAS

Devido à complexibilidade da modelagem numérica e capacidade

computacional do programa, algumas simplificações foram efetuadas:

Não foram utilizados enfilagens, tirantes ou outros métodos para

estabilização do terreno na frente de escavação.

Para modelagem da escavação da cambota do túnel e da bancada

foram feitas análises para deformações Plásticas.

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Para a modelação do suporte foi utilizado suportes formados por

concreto projetado e cambota em aço.

A modelagem foi efetuada com a utilização de elementos

isoparamétricos de seis pontos de integração.

6.3.PARÂMETROS ADOTADOS PARA ANÁLISES

Os dados utilizados na analise foram de um solo argiloso médio a rijo,

residual da decomposição in-situ do cristalino, na região metropolitana de Salvador

(RMS) Bahia, onde foi parte dos estudos da tese de doutorado do Prof. Doutorº

João Carlos Batista Jorge da Silva.

Segundo Tricart & Silva (1961) citado por Baptista (2005), um perfil de solo

típico de terreno cristalino mostra um camada superficial de cor amarela, com

espessura de 1 a 5 m e rica em sesquióxidos de ferro. Abaixo desta camada ocorre

outra de 2 a 5 m, pobre um húmus, com baixa umidade.

Os parâmetros geotécnicos foram obtidos a partir de ensaios laboratoriais

em amostras indeformadas coletadas em poços de inspeção escavados ao longo

do perfil estratigráfico do solo. (Baptista, 2005), onde foram utilizados os valores

médios da tabela 3.

Índice de Ko = 0,491 utilizado a formula 1 – sen () com o ângulo de atrito

de 29,40.

Para os valores do módulo oedométrico (M ou Eoed), utilizou-se aquele

obtido pela teoria da elasticidade assumindo ν = 0,30, a Tab. 3. mostra as

principais características geométricas e as propriedades do suporte

Tabela 2 - Parâmetros do suporte (Baptista 2005)

Estrutura Largura (m)

Área(m2)

I (m4)

E(Gpa)

EI (KN. m2/m)

EA (Gpa)

Suporte 1,0 0,45 0,000503 14,3 7,20 E+04 7,000

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65

Tabela 3 - Principais parâmetros geotécnicos do domínio dos solos do complexo cristalino (modificado - CARG/PMS, 2004) - retirada do Cap.3 tese Doutorado Baptista (2005).

Classificação Solos residuais: Siltosos a silte-argilosos (MH, ML).

Limite de liquidez – LL (%) 52,1Índice de plasticidade – IP (%0) 17,7

Peso especifico natural (KN/m³)

Mínimo 15,1Máximo 19,8Médio 16,3

Peso especifico saturado (KN/m³)

Mínimo 23,5Máximo 32,2Médio 27,3

Coesão (kpa) Mínimo 0,6Máximo 53,4Médio 15,6

Ângulo de atrito (º) Mínimo 8,4Máximo 43,8Médio 29,4

N-SPT Prof. de 3 m 6Prof. 10 m 11

Prof. do impenetrável (m) Mínimo 0,39Máximo 31,7Médio 13,2

Prof. do nível d’água (m) Mínimo 0,2Máximo 30,9Médio 10,3

6.4. PROCESSO CONSTRUTIVO

A modelagem para escavação do túnel foi baseada no método de estudo

NATM e foi divido em duas fases conforme figura 30, sendo a primeira fase a

escavação da abóbada, correspondente a 70% do volume total de escavação,

instalação do suporte e do arco invertido provisório, logo depois se procede o

desmonte da bancada (fase 2) e construção do Invert definitivo.

A escavação da fase 1 (abóbada), conforme conceitos do NATM foram

divididos em duas fases para permitir a estabilidade da frente de escavação.

Primeiro se escava a parte superior paralela ao perímetro do túnel deixando uma

bancada no centro conforme mostrado na figura 30 e 31, e só após a instalação do

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66

suporte, escava-se o centro (bancada) do túnel, para construção do Invert

provisório.

A diferença entre a esvação da abóbada e a retirada do miolo central,

deve ser o mínimo possível. Literaturas existentes indica que o ideal são 4 lanches

de escavações, onde cada lance varia de 0,80 m a 1,0m de comprimento.

Após a escavação de certo comprimento de abóbada, pode-se ir

retirando a bancada existente (fase 2) e instalando o Invert definitivo. Está distancia

não pode ser menor que 8 metros para frente de escavação e fica a cargo dos

engenheiros o momento que deve ser retirada esta bancada, pois poderá

atrapalhar a logística de escavação ou não.

Figura 30 - Fases da construção de um Túnel - Plaxis 2D

FASE 01

FASE 02

Suporte

Invert provisório

Invert definitivo

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67

Figura 31 - Túnel dois Leões - Fonte: Igor Dantas, 2009.

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68

6.5.MODELAGEM NUMÉRICA

Para o modelo constitutivo foi atribuído um comportamento elástico linear

perfeitamente plástico, definido até à rotura por um módulo de deformabilidade

independente dos níveis de tensão ou de deformação. A rotura foi controlada pelo

critério de Mohr-Couomb. (Martins, 2003).

Com relação à sequência construtiva foram adotadas as seguintes

etapas:

Escavação da abóbada Instalação do Suporte Instalação do Invert provisório. Escavação da bancada Execução do restante do suporte e construção do Invert definitivo

A geração da malha 2D foi automática, sendo efetuados refinamentos

sucessivos próximos à escavação, a modelagem foi efetuada com a utilização de

elementos isoparamétricos de seis pontos de integração, perfazendo 1450

elementos tridimensionais, 3049 nós e 4350 pontos de tensão, conforme figura 32.

A largura da seção foi de 32m, obedecendo ao critério de quatro vezes o

diâmetro equivalente do túnel, contados a partir do eixo do túnel-piloto para

esquerda e para direita.

Figura 32 – Malha 2D utilizada no programa Plaxis 2D

Page 69: Monografia de DIAS 27_03 R08

69

6.6.RESULTADOS

6.6.1. CONSTRUÇÃO DA ABÓBADA

Nesta fase foi simulada a construção da abóbada conforme figura 33, e

exposição por 24 horas sem suporte, notou-se uma deformação acentuada nas

laterais rente ao pé da escavação, definido assim o ponto mais crítico da

escavação com fortes possibilidades de deslocamentos horizontais e verticais

conforme se pode velicar nas figuras 34, 35.

Comprovando assim a necessidade de instalação de algum tipo de suporte

o mais rápido possível na frente de escavação, diminuindo consequentemente os

deslocamentos verticais e horizontais. Fato que pode ser comprovado na figura 36

que é simulação após aplicação do suporte, cambota metálica com concreto

projetado na espessura de 15 cm.

Figura 33 - escavação da abobada - Plaxis 2D

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Figura 34 - Gráfico de linhas de contorno - Plaxis 2D

Figura 35 - Tendência de deslocamentos laterais - Plaxis 2D

Deslocamentos de até 40 mm

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Figura 36 - Nuances dos deslocamentos – Plaxis 2D

Figura 37 - Bacia de Recalque na seção superior do túnel

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Figura 38 - Bacia de Recalque na seção Inferior do Túnel

Na figura 39 e 40 podemos verificar que após a aplicação do suporte as

tensões no piso e começam a sofrer deformações, comprovando assim a

necessidade de execução do arco invertido provisório o mais rápido possível.

Figura 39 - Tendência de deformação do piso após aplicação do suporte. Plaxi 2D

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Figura 40 - tensões nas paredes e piso do túnel - Plaxis 2D

Nesta fase foi simulada a demolição e escavação da bancada de

trabalho conforme figura 41, podendo verificar na figura 42 a grande concentração

de tensões no pé do suporte instalado, bem como no fundo do túnel.

Figura 41 - Escavação da 2ª fase - Plaxis 2D

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Figura 42 - Linhas de tendência de deformação após escavação da bancada - Plaxis 2D

Figura 43 - Bacia de recalque na geratriz superior após conclusão do arco Invert

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Figura 44 - Deformação após conclusão do Túnel

Figura 45 - Bacia de recalque final no piso do túnel

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Figura 46 - Tensões após conclusão do túnel. - Plaxis 2D

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77

6.7.ANALISE DOS RESULTADOS

Após analise dos resultados, alguns dados podem ser observados:

Os deslocamentos tendem a crescer da superfície do terreno para o teto do

túnel.

A primeira etapa de escavação, ou seja, a abertura do túnel ocasiona a

maior parte das deformações.

Observa-se ainda que seja de estrema importância à instrumentação do

túnel, para auxiliar o engenheiro na tomada de decisões.

A importância da colocação das cambotas metálicas imediatamente as

etapas de escavações, para diminui em muito as deformações no terreno

circundante.

Observa-se uma leve assimetria no diagrama de deslocamentos, devido ao

mergulho da camada de solo, no sentido esquerdo-direito do túnel.

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7. CONCLUSÃO

Com o crescimento das populações urbanas nas grandes metrópoles, os

governantes tem como desafio, prover a estas populações transporte urbanos de

qualidade, saneamento básico, energia elétrica, abastecimento de mercadorias nos

grandes centros além de todo em bem estar para uma qualidade de vida do ser

humano, e a cada dia fica, mas complexo prover estas adaptações devido à falta

de área urbanas e a grande inflação dos terrenos existentes.

Como solução a engenharia mundial propõe cada vez, mais o uso do

subterrâneo para os grandes centros urbanos, com construção de uma malha

metroviária, centros comerciais, estacionamentos, galerias de esgotamento

sanitário e pluviais cada vez maiores.

Os túneis são sem duvida a solução para estas cidades, pois além de

agilizar os transportes metroviário e rodoviário agride pouco o meio ambiente

comparado com outras obras e melhorando cada vez a qualidades de vida, com a

criação de praças e jardins onde antes, eram grandes avenidas, com

congestionamento quilométrico, poluição do ar, sonora e visual.

E o novo método austríaco de túneis (NATM) é sem duvida o

principalmente método para construção de túneis do mundo, com a filosofia de

aproveitamento do próprio maciço com suporte, que permite o dimensionamento de

suportes mais leve e com menores custos comparados com outras tecnologias.

O programa Plaxis – V.8.2 – permite de forma satisfatória uma avaliação

preliminar do incremento de tensões produzidas em torno da abertura da cavidade

do túnel. Com os resultados, é possível dimensionar uma estrutura de suporte

preliminar bem como, determinar como será feita a escavação determinando assim

o tipo de seção a escavar o avanço de cada seção.

Mas com toda tecnologia existente, o NATM depende da figura do

engenheiro como agente principal na execução, pois cada metro de túnel é único e

as características do maciço podem mudar a qualquer momento. Daí a grande

necessidade da instrumentação para com os conhecimentos científicos aguçados o

engenheiro retro alimentar o projeto quando necessário

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A obediência dos 22 princípios de NATM, a equipe de projetos e execução

tem grandes possibilidades de obter êxito na empreitada de um túnel. Pois em

obras subterrâneas o imponderável pode acontecer a qualquer momento.

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80

8. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

Associação de normas técnica brasileira (ABNT) NBR 14724:2011

Informação e documentação ---trabalhos acadêmicos ---Apresentação, 11 p.

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Brasileira de Geologia de Engenharia. Traduzido por João Duarte Guimarães Neto.

São Paulo, SP, 1979, 16 p.

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Túneis (NATM). São Paulo, SP, Prefeitura Municipal de São Paulo, 1981. 18 f.

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LUNARDI, Pietro. Projeto e construção de túneis segundo o método

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MURAKAMI, Cláudio Atsushi. Noções básicas para o acompanhamento

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Engenharia Civil, Universidade de São Paulo, São Paulo SP, 2001.

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TEIXEIRA, Christiano Faria, Análise Numérica de Ensaios em Solo

Reforçado com Geogrelhas – Tese de mestrado / orientador: Alberto Sampaio

Ferraz Jardim Sayão; co-orientador: Ana Cristina Castro Fontenla Sieira. - Rio de

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Almeida e, Análise tridimensional de um túnel aberto num maciço de solo

residual de granito. Artigo publicado em 2003.

Page 83: Monografia de DIAS 27_03 R08

83

9. ANEXOS

Prof. Ladislaus Von Rabecewicz,

(12/06/1893 – 19/12/1975)

O criador do NATM (Nem Austrian Tunneling Method) nasceu em Ober-ST.

Kunigund junto á Marburg a. d. Drau, na Austrália em 1983, formou-se em

engenharia civil no ano de 1935 pela Universidade de Graz e Viena, concluir seu

doutorado em 1950, pela Universidade de Graz.

O prof. Rabecewicz publicou mais de 30 artigos técnico sobre problemas

de obras subterrâneas e orientou, projetou ou construiu, mas de 300 km de túneis.

A última palestra proferida pelo prof. Rabecewicz no dia 10 de setembro de

1975, no auditório de DNER, evento realizado pelo Instituto de Pesquisa rodoviário

(IPR), com a colaboração das empresas, THEMAG Engenharia Ltda.

GEOCONSULT (Áustria), COEPE – consultoria, ESTE - Engenharia Serviços

Técnicos Especiais S/A.

“O homem que trabalha em subterrâneo deve

ser construtor inteligente e não um obtuso

demolidor”

Prof. Giovanni Mastropietro