monografia de dias 27_03 r08
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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
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
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
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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
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.
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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.
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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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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
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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
12
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
13
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.
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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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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.
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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.
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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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).
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.
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)
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).
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
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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
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.
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.
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.
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.
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:
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).
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
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
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.
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
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.
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
36
Figura 13 - Parcialização da Seção - Assis 2005
Figura 14 - -Parcialização da Seção - Assis 2005
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).
38
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.
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:
40
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
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.
42
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:
43
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
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.
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
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.
47
Figura 19 - Enfilagens - Seção Transversal (MURAMAKI, 2001).
Figura 20 - Perfuratriz para executar enfilagens (tecnogeo)
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).
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).
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).
51
Figura 24 - Cambotas utilizadas no Emboque do Túnel 2 leões Salvador - BA 2004 (THIAGO 2006)
Figura 25 - Detalhe instalação da cambota (ABTC).
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.
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.
54
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).
55
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.
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.
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)
58
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
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
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.
61
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,
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.
63
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.
64
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
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
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
67
Figura 31 - Túnel dois Leões - Fonte: Igor Dantas, 2009.
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
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
70
Figura 34 - Gráfico de linhas de contorno - Plaxis 2D
‘
Figura 35 - Tendência de deslocamentos laterais - Plaxis 2D
Deslocamentos de até 40 mm
71
Figura 36 - Nuances dos deslocamentos – Plaxis 2D
Figura 37 - Bacia de Recalque na seção superior do túnel
72
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
73
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
74
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
75
Figura 44 - Deformação após conclusão do Túnel
Figura 45 - Bacia de recalque final no piso do túnel
76
Figura 46 - Tensões após conclusão do túnel. - Plaxis 2D
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.
78
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
79
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.
80
8. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
Associação de normas técnica brasileira (ABNT) NBR 14724:2011
Informação e documentação ---trabalhos acadêmicos ---Apresentação, 11 p.
KOCHE, José Carlos. Fundamento de metodologia cientifica: teoria da
ciência e iniciação á pesquisa. 21ª Ed. Petrópolis: vozes, 2003.
GOLSER, Johann. Retificações ás opiniões do Prof. Kovári sobre o
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Brasileira de Geologia de Engenharia. Traduzido por João Duarte Guimarães Neto.
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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