túneis e obras subterrâneas

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 Túneis e Obras Subterrâneas Susana Prada http://www.uma.pt/sprada/ Password: TOS

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Túneis e Obras SubterrâneasSusana Prada

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Planeamento da disciplina

• Aulas TP: 1,5h/semana

• Trabalho de

 Campo: 1h/sem (4 saídas campo)

• Visita ao LREC – ensaios laboratoriais

• Visita a uma galeria de captação de água• Visita à EEM – Fins Múltiplos dos Socorridos

• Caracterização geotécnica de maciços rochosos

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Programa

• Estudos geológicos e geotécnicos nas fases do projecto ;

• Características geotécnicas dos maciços com influência no planeamento e projecto de túneis (geologia, descontinuidades, condições hidrogeológicas, 

características mecânicas do material rocha e do maciço 

rochoso);

• Classificações Geomecânicas (Bieniawski, Barton etc.);

• Zonamento Geotécnico e definição do tipo de 

sustimento; 

Cartografia 

geológica 

geotécnica 

de 

túneis 

durante 

fase de construção 

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Bibliografia

• L. González de Vallejo, M. Ferrer, L. Ortuño, C. Oteo (2002) Ingenieria Geológica

• Costa Pereira, A.S., (1986) Noções de Geologia de 

Engenharia  – Obras subterrâneas (cx 10)

• Rodrigues, C., Grov, E., Prada, S., (2002)‐Tunneling in Volcanic Environment  – Experiences 

from projects in Madeira Island, Iceland and Faroe 

Islands. In:EUROCK2002 ‐ International  Symposium on Rock  Engineering  for  Mountainous 

Regions. Publicações da Sociedade Portuguesa de 

Geotecnia: 643

‐655.

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Avaliação

• Avaliação : 30% do total da UC

• Trabalho: 17 Junho (10%)

• Frequência: 15 Junho (20%)

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Geotecnia = Geologia de 

Engenharia + Mecânica dos Solos + Mecânica das Rochas

 

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Geologia de Engenharia ou geologia aplicada à engenharia

• É a ciência que se ocupa, sobretudo, da aplicação dos conhecimentos das ciências 

geológicas às obras de engenharia civil• Domínios de intervenção: fundações de 

edifícios; túneis; barragens; aterros e desaterros; pontes; viadutos; estradas; aeroportos; ordenamento do território; procura 

de matérias primas e recursos naturais, etc.

 

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O âmbito da geologia de Engenharia:

• Definição da geomorfologia, estrutura, litologia e 

características hidrogeológicas das formações geológicas;

• Caracterização fisico‐mecânica, química e 

mineralógica dos materiais geológicos;• A definição do comportamento mecânico dos 

maciços rochosos e terrosos e respectivas classificações;

• A previsão da evolução dos maciços durante a vida das obras; e a definição de medidas apropriadas para melhorar ou manter as características iniciais 

dos maciços

 

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Maciço Rochoso

• É um conjunto de BLOCOS DE ROCHA 

 justapostos e articulados• Blocos de rocha = matriz rochosa = material 

rocha 

rocha 

intacta 

• Descontinuidades = superfícies que limitam os blocos de rocha (planos de origem mecânica ou sedimentar com resistência à tracção 

muito baixa ou nula)

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Metodologia da geologia de 

engenharia• Os estudos geológicos e geotécnicos devem ser 

programados por fases, utilizando métodos de 

reconhecimento progressivamente mais 

sofisticados e dispendiosos, acompanhando as fases de execução do projecto e construção  da cada empreendimento, visando, no final, o 

zonamento geotécnico dos maciços interessados pelas diferentes obras.

 

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Zonamento geotécnico

• Entende‐se por zonamento geotécnico a 

divisão do maciço rochoso em várias unidades de volume, apresentando cada uma delas uma certa homogeneidade e individualidade 

quanto aos factores que caracterizam, sob o 

ponto de vista geotécnico, o maciço.

• Usam‐se, em geral, três ou quatro unidades ou zonas geotécnicas, ZG.

 

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Características mais visadas com o 

estudo geológico e geotécnico dos maciços

• Deformabilidade

Resistência à compressão• Permeabilidade

Estado 

de 

tensão 

original 

(no 

caso 

de 

obras 

subterrâneas profundas)

 

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Tarefas de geologia de engenharia em 

cada 

uma 

das 

fases 

de 

um 

empreendimento

Fase do

 

projectoEstudoPrévio

Ante 

ProjectoProjecto Construção Funcionamento

Estudos 

Geológicos 

Geotécnicos

Reconheci‐

mento

Campanha 

preliminar 

de 

prospecção

Campanha 

complemen‐

tar de 

prospecção 

e ensaios

Acompanha‐

mento da 

obra e 

cartografia geológica no 

caso de túneis

Interpretação 

das 

medições 

com os equipa‐mentos de observação do 

comportamento

1. Estudo Prévio ou de Viabilidade2. Anteprojecto ou Projecto Base3. Projecto ou Projecto de Execução

4. Construção ou  Execução da Obra5. Funcionamento ou Serviço da Obra

 

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A geologia de engenharia e os túneis

• Sendo os maciços rochosos e ou terrosos o meio 

em que se insere o túnel, o estudo destes maciços é o factor principal a considerar. A geologia de 

engenharia desempenha um papel fundamental quer no planeamento, quer no projecto e ainda na 

construção:• Na fase de planeamento, na escolha do traçado 

face às características das formações geológicas 

interessadas; segue‐se a elaboração do programa de prospecção e ensaios; na fase de obra, a cartografia geológica, indica as condições naturais 

do maciço que nem sempre são as previstas, propondo alterações ao projecto.

 

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Tipos de Túneis

• Rodoviários

• Ferroviários• Hidráulicos

Galerias de captação de água• Explorações mineiras

Aproveitamentos 

hidroeléctricos• Armazenamentos subterrâneos

 

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Nomenclatura da secção tipo de um 

túnel:• Hasteais

• Abóbada

• Soleira

• Diâmetro (H e L)

• Sobrescavação

• Recobrimento(pequeno < 2,5 x 

diâmetro) 

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Metodologia  dos estudos geológicos e 

geotécnicos para túneis

1. Dados do projecto (traçado, secção, emboquilhamentos)

2. Condições geológicas, hidrogeológicas do traçado

3. Investigações 

geotécnicas 

(prospecção 

ensaios)4. Classificações geomecânicas e zonamentogeotécnico

5. Recomendações para os métodos de cálculo da estrutura subterrânea (escavação e sustimentos)6. Cartografia geológica e adequação do projecto às 

condições encontradas

 

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Fases e objectivos Tarefas Conteúdos

ESTUDO PRÉVIOS

• Reconhecimento 

geológico geral do traçado 

• Identificação de riscos geológicos para a escavação do túnel

• Classificação geológico‐

geotécnica básica dos materiais

• Planificação de 

investigações para a fase 

seguinte

• Análise de alternativas 

de traçados

Recolha de informação 

existente

‐ Topografia, 1:25 000‐ Hidrologia e hidrogeologia‐ Cartas geológicas, 1:50 000‐ Túneis próximos‐ Sismicidade

Interpretação de 

fotografia aérea‐ Fotografias a cores e a preto e branco, escalas 1:10 000 e 1:25 000

Reconhecimentos 

geológicos de superfície

‐ Geomorfologia e estabilidade de 

vertentes‐ Litologias‐ Falhas e estruturas tectónicas‐ Dados hidrogeológicos

Investigações in situ ‐ Sondagens espaçadas p/ determinar campanha de sondagens‐ Geofísica à superfície

Interpretação geológico‐

geotécnica preliminar‐ elaboração de corte um geológico 

interpretativo pelo eixo do túnel 

 

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Foto‐interpretação• Escalas 1:20.000 a 1:10.000

• Recomendável fotos a cores

• Localização dos vários tipos de rocha; aspectos estruturais dos maciços como orientação dos estratos, falhas, etc., zonas de antigos escorregamentos, características da drenagem da zona, humidade dos solos

OBSERVAÇÕES

• Técnicas rápidas e desenvolvidas, de baixo custo• Necessário verificação no campo apesar de reduzir, em 

geral, as tarefas de reconhecimento directo

• Limitações em zonas cobertas de vegetação 

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Cortes geológico‐geotécnicos

• Escalas de estudos prévios 1:10.000‐1:25.000

• Escalas do projecto 1:2.000‐1:500• O corte geológico pelo eixo do túnel é o principal 

documento geológico

OBSERVAÇÕES• Técnicas muito desenvolvidas e imprescindíveis

• Relativamente económicas• Sujeitas a incertezas em função da complexidade 

geológica e dos dados disponíveis

 

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Inventário de Túneis

• Tem por objectivo conhecer o comportamento de 

túneis da região, escavados em materiais similares às 

do túnel do projecto

• Dados a incluir: corte geológico, estrutura, classificação 

geomecânicaOBSERVAÇÕES

• Pode advertir sobre problemas existentes e transmitir 

experiências

• A informação está sujeita à acessibilidade e 

disponibilidade 

dos 

dados

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Fases e objectivos Tarefas Conteúdos

ANTE‐

PROJECTO 

EPROJECTO

• Selecção do traçado e 

emboquilhamentos

• Estudo geológico‐

geotécnico detalhado

• Avaliação dos problemas geológico‐geotécnicos e sua incidência na escavação

• Características geomecânicas dos materiais

• Recomendações para asustentação, escavação e 

tratamentos do terreno

Cartografia geológica‐geotécnica

Litoestratigrafia‐ Estrutura‐ Estações geomecânicas‐ Geomorfologia‐ Mapas à escala 1:2.000  – 1:500

Dados hidrológicos e 

hidrogeológicos‐ Regionais e locais‐ Estimativa de caudais e pressões

Prospecção 

geotécnica

Métodos 

geofísicos‐ Sondagens‐ Valas, poços e galerias‐ Ensaios de laboratório‐ Ensaios in situ

Interpretação 

geológica‐geotécnica

‐ Classificações geomecânicas‐ Propriedades geomecânicas‐ Recomendações para o sustimentoe escavação

 

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Métodos de prospecção geotécnica 

utilizados na abertura de túneis• Prospecção geofísica: métodos sísmicos, 

métodos eléctricos• Prospecção mecânica: sondagens, valas ou 

trincheiras, poços e galerias• Ensaios in situ: de deformabilidade, de 

permeabilidade e de resistência

• Ensaios em

 laboratório: Compressão uniaxial, 

triaxiais, resistência à tracção, desgaste em 

meio húmido (slake durability test ) 

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Prospecção geofísica

• Necessita comparação de resultados com outros dados de campo (sondagens, ensaios) e 

requerem uma adequada interpretação geológica

• Métodos eléctricos: estudam a resposta do 

terreno à propagação de correntes eléctricas. Detecção de fracturas, aquíferos e contactos 

litológicos

 

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Prospecção geofísica

• Sísmica de refracção: contacto rocha sã/meteorizada, ripabilidade, grau de 

fracturação

• Sísmica de reflexão: permite estudar a estrutura 

geológica em profundidade, falhas, dobras, contactos, tem elevados custos

 

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Prospecção mecânica

• Valas, sanjas ou trincheiras: permite a observação 

local das formações e colheita de amostras. Não 

ultrapassam 2m de profundidade, sendo utilizados em zonas de pequeno recobrimento e próximo 

dos 

emboquilhamentos• Poços e galerias: utilizados nas zonas de 

emboquilhamento permitem o acesso directo ao 

maciço, recolha de amostragem e a execução de 

ensaios in situ. São utilizados em túneis de grande 

comprimento e/ou complexidade. Grande custo e 

demora

 

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Prospecção mecânica

• Sondagens: à rotação com coroa de tungsténio 

ou diamante. Permitem recolher amostragem

 

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Sondagens• Investigar problemas geológico/estruturais, zonas 

complexas ou mal conhecidas

• Obter dados de fracturação do maciço, cálculo do 

RQD e recolher registos

Descrição pormenorizada do registo da sondagem• Obter amostras para ensaios

Efectuar 

medições 

hidrogeológicas e 

ensaios 

geotécnicos no seu interior

• Custos altos, procedimento lento e os acessos 

podem ser uma condicionante importante

 

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LOCALIZAÇÃO: Emboquilhamentos,  zonas 

geologicamente complexas, e sistematicamente ao 

longo do eixo do túnel 

QUANTIDADE: é função da complexidade, espessura de recobrimentos, acessos, custos, etc. Como 

orientação:

• 1 sondagem cada 50 a 100m de traçado em zonas geologicamente complexas ou de litologia variável

• 1 sondagem cada 100 a 200m em zonas mais uniformes

• Nas zonas de emboquilhamento,  mínimo de 2 

sondagens 

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RQD: Indica a qualidade do maciço 

rochoso• É obtido a partir dos testemunhos de 

sondagens• Baseia‐se na percentagem de recuperação de 

tarolos com 

comprimento 

superior 

10 

cm: 

somatório dos tarolos/comprimento total   furado em cada manobra  x  100 

 

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Determinação da percentagem de 

recuperação de amostra e do RQD

• Num maciço rochoso foi realizada uma sondagem à rotação com recuperação contínua de amostra através de um obturador com 2 m de comprimento. Numa das manobras em que a furação progrediu 1,5 m no 

terreno ficaram retidos no amostrador 8 pedaços de rocha e detectada perda de amostra de acordo com 

seguinte sequência: 0,35m; 0,25m; 0,20m; 0,05m; perda de amostra; 0,07m; 0,08m; 0,15m e 0,20. 

• Relativamente a essa manobra qual a % de 

recuperação de amostra e respectivo RQD?

 

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Ensaios in situ

• Permeabilidade

• Ensaio de Lugeon (realizado no interior de 

sondagens, a partir da injecção de água, radialmente, sob pressão. Permite conhecer a 

condutividade hidráulica do maciço, k)

 

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Ensaios in situ

• Resistência

• Martelo de Schmidt (permite calcular a resistência à compressão simples da rocha, σc)

• Índice de carga pontual (Point Load Test ), também para determinar a resistência à 

compressão simples (σc= 23. 

Is) 

de 

fragmentos 

de rocha

 

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Ensaios in situ

• Deformabilidade

• Placa de carga (no interior de galerias em rocha, medem‐se os deslocamentos resultantes da aplicação de cargas conhecidas)

• Ensaio dilatométrico (dentro de sondagens, 

obtém‐se curvas tensão/deslocamento 

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Fases e objectivos Tarefas Conteúdos

CONSTRUÇÃO

• Controlo 

geológico/geotécnico  e auscultação

• Adequação do 

projecto às condições do 

terreno

• Medidas de controlo 

de instabilidades, 

percolações e 

tratamentos do terreno

Controlo geológico‐

geotécnico

‐ Cartografia geológica e geotécnica 

do interior do túnel‐ Adaptação do projecto às situações 

reaisAuscultação ‐ Instrumentação geotécnica

Controlo de qualidade ‐ Ensaios de controlo do tratamento

Assistência técnica‐ Acompanhamento e controlo de 

execução‐ Soluções construtivas e 

tratamentos do terreno