Análise numérica da influência das sequências construtivas nos deslocamentos do solo em um túnel na Grande Florianópolis

Abstract

O crescimento das populações urbanas exige a construção de infraestrutura robusta, incluindo rodovias, sistemas de transporte público, redes de saneamento e habitação. Consequentemente, a utilização do espaço subterrâneo torna-se crucial, impulsionando a construção de túneis, poços de acesso e galerias. No entanto, essa construção enfrenta desafios devido às características geotécnicas e geológicas de difícil determinação do local de escavação, especialmente quando há estruturas sensíveis nas proximidades. Este estudo examina o impacto de várias sequências construtivas de túneis seguindo a metodologia NATM no comportamento do maciço terroso, com foco particular nos deslocamentos verticais e horizontais. Para esse fim, foram realizadas simulações numéricas utilizando o software de elementos finitos ABAQUS, sob condições de deformação plana. Essas simulações foram realizadas para reproduzir condições semelhantes a um projeto de túnel na região metropolitana de Florianópolis. O modelo numérico abrange quatro camadas de solos e rochas, com uma profundidade aproximada de 70 metros e uma largura de 190 metros. Os túneis, com uma área escavada de 161,29 m², estão situados a 17 metros abaixo do solo e são equipados com revestimentos primários e secundários. Os solos/rochas e os revestimentos foram modelados usando os critérios de falha de Mohr-Coulomb e elástico linear, respectivamente. O domínio do solo foi modelado com elementos CPE4, enquanto o domínio dos revestimentos utilizou elementos CPE4I. O estudo inicialmente examina as curvas de convergência e confinamento para incorporar os efeitos tridimensionais da construção, considerando o grau de relaxamento do maciço durante a aplicação do revestimento. Foram realizadas sete análises das sequências de construção de túneis, sendo três para túneis simples e quatro para túneis duplos. Essas análises envolvem escavação em seção plena e em seção parcializada, com escavação em calota e arco invertido definitivo (AID), além do uso do side drift associado à meia seção e ao AID. Os resultados indicam que a parcialização da seção revelou-se eficaz na redução dos deslocamentos ao longo do maciço terroso, com a técnica de escavação em side drift apresentando os menores valores para túneis simples e duplos, enquanto a escavação em seção plena exibiu os maiores deslocamentos superficiais. A escavação em túnel duplo apresentou valores maiores em comparação à escavação em túnel simples correspondente. Os deslocamentos no solo ao longo do eixo do túnel mostraram comportamento não linear, variando conforme a etapa construtiva e a profundidade. A análise dos deslocamentos ao longo do perímetro de escavação indicou uma tendência de achatamento da seção, com o nó do topo convergindo e os nós laterais divergindo em relação ao centro da cavidade. Foram observadas correlações inversamente proporcionais entre os deslocamentos verticais no topo e os deslocamentos horizontais nas laterais do perímetro de escavação. As etapas de escavação e aplicação do revestimento na calota representaram mais de 78% dos deslocamentos totais em todas as análises. Com base nos resultados obtidos, este estudo confirma a eficácia da parcialização da seção na redução dos deslocamentos do solo e ilustra a importância da modelagem numérica na análise de problemáticas associadas à engenharia de túneis, facilitando o desenvolvimento de práticas de construção mais eficientes e seguras.

The growth of urban populations necessitates the construction of robust infrastructure, including highways, public transportation systems, sanitation networks, and housing. Consequently, underground utilization space becomes pivotal, prompting the construction of tunnels, access shafts, and galleries. However, this construction faces challenges due to the difficult-to-determine geotechnical and geological characteristics of the excavation site, especially when sensitive structures are nearby. This study examines the impact of various tunnel construction sequencies following the NATM methodology on the behavior of the soil mass, with a particular focus on vertical and horizontal displacements. To this end, numerical simulations were conducted utilizing ABAQUS finite element software under plane strain conditions. These simulations were designed to reproduce conditions akin to a tunnel project in the metropolitan area of Florianópolis. The numerical model encompasses four layers of soils and rocks, with an approximate depth of 70 meters and a width of 190 meters. The tunnels, with an excavated area of 161.29 m², are situated 17 meters below the ground and are equipped with primary and secondary linings. The soils/rocks and linings were modeled using the Mohr-Coulomb and linear elastic failure criteria, respectively. The soil domain was modeled with CPE4 elements, while the linings domain used CPE4I elements. The study initially examines the convergence and confinement curves to incorporate the three-dimensional effects of construction, considering the degree of soil relaxation during the lining application. Seven analyses were conducted on the construction sequences of tunnels, with three for single tunnels and four for twin tunnels. These analyses involve full-section and partial-section excavation, with subsequent placement of the crown and the definitive invert arch (AID), as well as the use of side drift associated with the half-section and AID. The results indicate that partial-section excavation is effective in reducing displacements along the soil mass, with the side drift excavation technique showing the lowest values for both single and twin tunnels, while full-section excavation exhibited the highest surface displacements. Twin tunnel excavation presented higher values compared to the corresponding single tunnel excavation. Soil displacements along the tunnel axis showed nonlinear behavior, varying with the construction stage and depth. The analysis of displacements along the excavation perimeter indicated a tendency for section flattening, with the top node converging and the lateral nodes diverging relative to the center of the cavity. Inversely proportional correlations were observed between vertical displacements at the top and horizontal displacements at the sides of the excavation perimeter. The excavation and lining application stages in the crown represented more than 78% of the total displacements in all analyses. Based on the results obtained, this study confirms the effectiveness of partial-section excavation in reducing soil displacements and illustrates the importance of numerical modeling in analyzing issues associated with tunnel engineering, facilitating the development of more efficient and safer construction practices.