Rational tunnel design and numerical modeling techniques

Rational tunnel design
Baptiste Laroche

Objetivos
 http://g1.globo.com/bahia/noticia/2015/10/tecnicos-avaliam-solo-sobre-tunel-no-lobato-para-verificar-se-existe-tremor.html
 Caracterização do maciço
 Definição das seções
 Modelagem com Plaxis

Túnel Gasduc III
RIO DE JANEIRO

Características do túnel
• Extensão: 3758 m
• Extensão (Concreto Projetado: ~70% (~2630 m))
• Suportes:
• Concreto Projetado
• Cambotas metálicas
• Tirantes

Problemas de execução
Cambotas com revestimento de pouca
espessura de concreto projetado. Notar as
“costelas”
Maciço muito alterado, com revestimento mal
aplicado.

Problemas de execução
Cambotas sem apoio e sem revestimento
Trecho com ocorrência de overbreaks geológicos,
comprometendo a geometria da seção escavada

Ocorrência de alterações do maciço
Ocorrência de material muito alterado, sem
revestimento, no lado da seção, em trecho
classe IV (classe V?)
Formação de cunha na parede, definida por 3
famílias de fraturas

Ocorrência de alterações do maciço
Núcleo de alteração (sulfeto) localizado no
pé da parede
Ocorrência de dique de basalto/diabásio alterado
para argila

Classificação geomecânica
Discrepâncias na classificação do maciço
Estaca
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Classificação
V
IV
III
II
I
Empresa 1
Construtora
Empresa 2
Terratek

Revestimento do túnel
Discrepâncias na classificação incial do maciço
Estaca
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Classificação
V
IV
III
II
I
Construtora
Terratek
Concreto projetado

Nova classificação do maciço
Classe I
Classe II
Construtora
Sistema Barton (“Q”)
Terratek

Determinação de parâmetros
c’ e f’ inferidos
𝜎 𝑐 = 2𝑐.
𝑐𝑜𝑠𝜑′
1 − 𝑠𝑒𝑛𝜑′

Modelagem numérica (Plaxis 2D)
Deslocamentos obtidos
Retroanálise
Seção estável há 5 anosDepende do
tipo de rocha

Modelagem numérica (Plaxis 2D)
Esforços cortantes
Necessidade
de uma viga
Momentos fletores

Nova classificação e sistema de suporte
• Revestimento total das paredes com concreto projetado
• Uso de Tirantes de ancoragem
Viga de
pé

Planta geral
 Localização: BR 116 - Rodovia Régis Bitencourt
 Extensão: 384 metros
Emboque
Norte
Emboque
Sul
Norte
Túnel da Serra do Cafezal

Perfil geológico
 Métodos de escavação:
 NATM
 Escavação a fogo
Emboque
Norte
Emboque
Sul
Rocha Sã
SaprolitoSeção NATM
Escavação a
fogo
Rocha alterada
Seção NATM

Projeto tolera a insegurança
• Efeito 3D de fato aumenta FS
• Coeficiente de segurança mínimo:
• Curto prazo FS = 1.3
• Longo prazo FS=1.5

Parâmetros dos materiais do
emboque sul

Instabilidade com chuva forte
Ru = 0,1
Ru = 0,2
Ru = 0,3
Geralmente
admitido no Rio
de Janeiro
FS = 1,2
FS = 1,1
FS = 0,98

Cálculo tensão deformação das
contenções dos emboques
 Pode ser feito com Plaxis (ver exemplo Tie-back excavation)
 Com K-Rea (Terrasol) se altura for pequena
• Coeficientes de reação

Efeito da água  a ser considerado!

Túnel Via Light
Dois túneis duplos. NATM. Total: 1600 m

Concreto de primeira fase
sem resistência à tração
Seção
C1
32

40 m sem armaduras e cobertura de 30 m
C1

Métodos de cálculo antigos: revestimento
super dimensionado
50 cm de concreto para solo com
cobertura de apenas 30 m !
M. Rocha (1976):
Pressão máxima vertical:
Uso de modelos elásticos lineares
Carregamento potencial - M. Rocha
36

Seção em solo, MSstage > 0,5 para uma
semana
MSstage = 1 para 30 mn

Momento alto mesmo com MSstage= 0,5
Mmax = -99 kN.m

Momento resistente do revestimento
primário insuficiente
Mmax cambota = fy,d .Icambota / (x / 2) = 48,7 kN.m/m
Icambota = 435 cm4 com espaçamento de 80 cmIcambota = 357 cm4 
x x’
Icambota = IF20(zz’) + 2. IF16(zz’)
+ 2. SF16.a² + SF20.b² (Huyguens)
Gy y’
z z'
a
b
a = 79,72 mm
b = 62,28 mm
IF20(zz’) = p.D4/64 = 7,854.10-9 m4
IF16(zz’) = 3,219.10-9 m4
SF16 = 2,01 cm²
SF20 = 3,14 cm²
fy,d = fy,k / ga = 500 / 1,15 = 435 MPa

Momento resistente do revestimento
primário insuficiente
Mmax concreto < fct,d .I(xx’) / [(h/2) / 2]
Mmax concreto < 36,5 kN.m/m
< Mmax Plaxis = 99 kN.m/m
I(xx’) = b.h³ / 12 = 1,302.10-3 m4
fc,k (7 dias) = b1 .fc,k
h = 25 cm
b = 1 m
x’x
fc,k = 30 MPa
fc,k (7 dias) = 23,4 MPa
fct,m = 0,3.(fc,k²)^(1/3) = 2,45 MPa
fct,k < fct,m
fct,d = fct,k / gc < fct,m / gc
fct,d (7 dias) < 1,75 MPa
b1 = exp[s(1-(28/t)^(1/2)]

Projeto básico com uso do Plaxis
- Túnel Atibainha• Comprimento: 6123 m

Características do túnel
• Diâmetro hidráulico (interno): 3,35m
• Vazão em escoamento livre : 8,5 m3/s
• Vazão em escoamento forçado Atibainha – Jaguari:
12,2 m3/s com uma carga piezométrica de 20m (200 kPa)

Tratamento para classe de maciço I
Granito/granodiorito/gnaisse/granitoide
Fraturas não persistentes  pequenas
cargas hidráulicas

Tratamento para classe de maciço II
Granito / granodiorito /
gnaisse / granitoide:
Fraturas não
persistentes
 Pequenas cargas
hidráulicas

Tratamento para classe de maciço III-A
Granito/granitoide
fraturado:
Fraturas prováveis
Diaclases tri-ortogonais
Diques de diabásico
 H alta
 pre-injeção (jet-grouting)
TBM  NATM
DHP /m

Tratamento para classe de maciço III-B
Mica xisto:
TBM
Foliação: mergulhos entre 0 e 90°

Tratamento para classe de maciço IV
Milonito - falha:
NATM & arco invertido
Risco: grande carga hidráulica
 DHP /m

Tratamento para classe de maciço V
Milonito alterado – falha:
NATM & arco invertido
Milonitos muito alterados com consistência
de solo
Risco grande carga hidráulica  DHP /m

Geração do
estado de tensão
inicial
Escavação da
seção
Instalação de
suporte (24hrs)
Instalação de nível
freático e suporte
Modelagem da seção C1 – TBM - Plaxis

Campo de deslocamentos horizontais
Resultados 1/2
Campo de deslocamentos verticais

Pré-dimensionamento das armaduras

Modelagem da seção C3 –TBM- Phase2
Modelagem das juntas
com elementos
distintos

Resultados 1/2
Campo de deslocamentos horizontais Campo de deslocamentos verticais

Resultados 2/2
Esforço axial
Max: 1,15 MN
Esforço
cisalhante:
Max: 0,11 MN
Momento fletor:
Max: 9 kN.m

C4 – NATM – Plaxis – Shotcrete model

Fases para a seção C4 – NATM – Plaxis 1/2
Fase inicial: K0
1e escavação
SMstage = 0,1
Núcleo central
q = 20 kPa
1e cambota
SMstage = 0,2
q = 20 kPa
CCP 1 &
tirantes
SMstage = 0,3
q = 20 kPa
1 2 3 4

Fases para a seção C4 – NATM – Plaxis 2/2
Remoção do
núcleo central
&
Arco invertido
SMstage = 0,5
Endurecimento
do concreto
projetado
SMstage = 1
5 6 7
CCP 2
SMstage = 0,4
q = 20 kPa

Deslocamento horizontal
máximo: 1,9 mm < D/100
Deformações no suporte
Deslocamento vertical
máximo: 8,2 mm < D/100

Tensões no suporte
Tensão horizontal máxima
nos ângulos: 7 MPa < fc,d
Tensão vertical máxima nos
ângulos: 11 MPa < fc,d

Tensões no solo
Tensão horizontal máxima Tensão vertical máxima

Comparação Plaxis vs modelo hyperestático
Mmax = -130 kN.m/mVmax = -200 kN/mNmax = -420 kN/m
Nmax = -490 kN/m
Vmax = -205 kN/m Mmax = -14 kN/m

Fissuração e redistribuição dos momentos
Mmax = -130 kN.m/m
Mmax = -14 kN/m

Tela necessária
1,4.N – 1,4M
0,9.N – 1,4M
F 5 mm // 10 cm
Tela Q196

 UDEC  Estrutura
“blocky”, rochas fraturadas
com queda de blocos
possíveis
Utilização do Plaxis em rochas
 Phase2, Flac  Rochas
fraturadas com coesão
(sem queda de blocos)
(F2, F3, F4)
 Plaxis: somente pouquíssimas descontinuidades e
espaçadas (F1, A1, C1, E1, abertura mínima, sem
preenchimento)

Aplicação do Plaxis nas rochas
 Plaxis
 Plaxis
 Flac ou Phase2
 Udec
 Flac, Phase2 ou Udec

Conclusões
 Investimentos em investigações > 2% (ITA)
 Caracterização geomecânica: insuficiente
 Ensaios especiais PMT, CPTU, etc
 Necessária modelagem numérica
 Cuidado com a escolha do modelo e do
programa

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