Na implantação de túneis, como primeiro passo, é necessário entendermos o funcionamento dos mecanismos de ruptura e seus critérios de escavabilidade. Neste sentido, é importante a troca de experiência entre os vários níveis de conhecimento, a fim de que os projetos executivos sejam ajustados e não ajam recorrência dos erros antigos.
No momento das escavações, as principais causas de instabilidade referem-se à presença de falhas e descontinuidades em rochas competentes que, pela sua atitude, podem individualizar volumes de rocha. Nestes casos, e sempre que as condicionantes de serviço o permitam, as condições de estabilidade podem ser melhoradas através da reorientação do traçado do túnel, bem como pela aplicação de pregagens e ancoragens.
A elevada magnitude das tensões in situ são geralmente características de rochas duras, de elevadas profundidades ou de cavidades de grande dimensão. Uma forma de mitigar os efeitos nefastos assim provocados consiste em ajustar a orientação e a forma da seção do túnel de acordo com o estado de tensão existente ou, se tal não for possível, promover um substancial reforço do suporte.
A instabilidade devido à expansão ou decomposição da rocha por ação da água ou ar ocorre geralmente em maciços rochosos brandos ou em camadas e filões intercalados em rochas duras. Nestes casos, as medidas preventivas a adotar consistem em isolar estes locais através de revestimentos que impeçam a exposição da rocha ao ar e à água. Já as instabilidades devidas à pressão ou percolação de água podem ocorrer em praticamente qualquer tipo de maciço rochoso. O comportamento crítico devido a estas circunstâncias só atinge proporções significativas quando associadas a um ou mais dos pontos anteriores.
Nestes casos, as medidas a adotar passam pela drenagem e/ou revestimento do túnel de forma a reduzir a pressão e reencaminhar o fluxo de água. A presença de dois ou mais dos fenômenos acima descritos, aliados às condicionantes geológicas e de serviço do túnel, pode
integrar todos os aspectos identificados, inclusivamente os aspectos intangíveis, (HOEK e BROWN 1980).
A fim de erradicar erros recorrentes, é importante criarmos um banco de dados referente aos maciços e seus critérios de escavabilidade. Assim, como forma de alimentar estes bancos de dados na fase de projetos, devem ser selecionadas, para análise, uma ou mais seções representativas do maciço rochoso para se verificar seu comportamento, por meio de sistema geomecânico e computacional por elementos finitos.
Assim, recomendam-se fazer análises de estabilidade utilizando os valores médios dos parâmetros dos materiais para a determinação do fator de segurança crítico médio determinístico. Essa etapa de análise tem as seguintes finalidades principais (BAECHER; CHRISTIAN, 2003):
• definir e/ou ajustar os parâmetros geotécnicos médios a serem utilizados nas análises probabilísticas;
• realizar uma busca da superfície crítica de ruptura de maneira a conhecer e criar sensibilidade quanto ao problema analisado;
• definir de maneira preliminar os parâmetros que podem influenciar no valor do FS;
• calibrar o modelo utilizado na análise.
Nos estudos de estabilidade local e global, para maciços rochosos, as propriedades dos materiais do são de grande variabilidade natural. Desta maneira, podem-se considerar outras variáveis na análise do maciço e respectiva obra subterrânea, como a geometria da escavação, as cargas aplicadas e os níveis freáticos.
Tabela 5.2 – Tipos de ruptura que ocorrem em diferentes maciços rochosos sob diferentes níveis de tensão in situ
NÍVEIS DE TENSÕES BAIXOS NÍVEIS DE TENSÕES ELEVADOS
ROCHA MACIÇA
Maciço rochoso com tensão in situ baixa. Resposta linear elástica praticamente sem rotura
Maciço rochoso com tensão in situ elevada. Nos limites da abertura, em pontos de concentração de tensões, iniciam-se fenómenos de lascamento, desplacamento e esmagamento que se propagam ao maciço circundante.
ROCHA FRATURADA
Maciço rochoso fraturado com tensão in situ baixa. Os blocos ou cunhas formadas pela interseção de diaclases com diferentes orientações, soltam-se e escorregam devido à ação da gravidade.
Maciço rochoso fraturado com tensão in situ elevada. A ruptura ocorre como resultado do deslizamento segundo as superfícies das diaclases e pelo esmagamento e fendilhamento dos blocos rochosos.
ROCHA MUITO
FRATURADA Maciço rochoso muito fraturado com tensão
in situ baixa. A superfície da abertura rompe como resultado do emaranhado de pequenos blocos ou cunhas, formados pela quantidade de descontinuidades que o maciço apresenta. A ruptura pode propagar-se facilmente, se não for controlada.
Maciço rochoso muito fraturado com tensão in situ elevada. O maciço circundante à abertura rompe por deslizamento nas superfícies das descontinuidades e por esmagamento de pequenos blocos de rocha. Este tipo de ruptura tende a provocar o levantamento da soleira e forte convergência das paredes laterais.
Tabela 5.3 – Problemas, parâmetros, métodos de análise e critérios de aceitabilidade em escavações subterrâneas
E S T R U T U R A S Túneis em pressão em projetos hidroelétricos
Túneis em rocha branda Túneis pouco profundos em rocha fraturada P R O B L E M A S T ÍP IC O S
Escoamento excessivo a partir de túneis sem revestimento ou revestidos em concreto. Ruptura ou deformação do revestimento em aço devido a deformação da rocha ou pressões externas.
Ruptura do maciço rochoso onde a resistência é excedida pelas tensões induzidas. Dão-se fenómenos de expansividade, retração ou convergência excessiva se o suporte for inadequado.
Quedas por gravidade ou deslizamento de cunhas ou blocos definidos pela interseção de fraturas. Quedas do material da superfície suportado inadequadamente. P A R Â M E T R O S C R ÍT IC O S
• Relação entre a máxima pressão hidráulica no túnel e a tensão principal mínima da rocha circundante; • Comprimento do revestimento em aço e a eficiência do grouting; • Nível de água no maciço rochoso.
• Resistência do maciço rochoso e das descontinuidades estruturais; • Potencial de expansividade, em particular das rochas sedimentares; • Método e sequência de escavação; • Capacidade e sequência de instalação do sistema de suporte.
• Orientação, inclinação e resistência ao cisalhamento das descontinuidades estruturais do maciço rochoso; • Forma e orientação da escavação; • Qualidade da perfuração e detonação durante a escavação; • Capacidade e sequência. M É T O D O S D E A N Á L IS
E Determinação do recobrimento mínimo ao longo do traçado do túnel a partir de topografia detalhada. Análise de tensões de secções transversais e longitudinais ao eixo do túnel. Comparação entre a tensão principal mínima e a pressão hidráulica máxima para determinar o comprimento de revestimento em aço.
Análise de tensões usando métodos numéricos de modo a determinar a extensão das zonas de ruptura e o deslocamento do maciço rochoso. Análise da interação rocha-suporte usando métodos numéricos para determinar a capacidade e sequência de instalação do suporte e para estimar deslocamentos no maciço rochoso.
Técnicas de projeção esférica ou métodos analíticos são usados para determinação e visualização das cunhas do maciço rochoso circundante ao túnel. Análise de equilíbrio limite das cunhas críticas é usada para estudos paramétricos do modo de ruptura, fator de segurança e necessidade de suporte. C R IT É R IO S D E A C E IT A B IL ID A D E
Requer revestimento em aço onde a tensão principal mínima no maciço rochoso é menor que 1,3 vezes a carga estática máxima das operações hidroelétricas ou 1,15 para operações com pressões dinâmicas muito baixas. São necessários testes de pressão hidráulicas em furos de sondagens para confirmar os pressupostos de projeto.
A capacidade de suporte instalado deve ser suficiente para estabilizar o maciço rochoso e limitar as convergências até um nível aceitável. As tuneladoras e as estruturas internas devem ser projetadas tendo em conta a convergência do túnel como resultado da expansividade e da deformação ao longo do tempo. A monitorização é um aspecto importante do controlo de construção.
O fator de segurança, incluindo os efeitos de reforço, deverão ser excedidos 1,5 para o deslizamento e 2,0 para a queda de cunhas e blocos. A sequência de instalação do suporte é crítica e as cunhas e blocos devem ser identificados e suportados antes de serem totalmente expostos pela escavação. A
monitorização dos deslocamentos terá pouco valor.
Assim, os sistemas de suporte a utilizar têm de possuir características de forma e resistência adequadas para o tipo de maciço existente e para as condições geomecânicas do local. A partir do mapeamento das frentes de escavação, são aplicados imediatamente e no menor espaço de tempo possível, os sistemas de suporte. O objetivo deste tipo de suporte é garantir a estabilidade da cavidade escavada, propiciando a segurança de trabalhos futuros e a geometria projetada.
Após os primeiros trabalhos de implantação da frente de escavação, é aplicado o suporte secundário ou definitivo, garantindo a estabilidade em longo prazo e instituindo as condições de serviços de infraestrutura. Contudo, com a ocorrência de alterações nos estados de tensões internas do maciço, sem a implantação correta dos sistemas de suporte, corre-se o risco de rupturas internas.
Tais rupturas se manifestam já no eixo central do maciço principal, necessitando quase sempre, de processos específicos de estabilização como: enfilagens, pregagens, concretos projetados e/ou implantação de DHPs.
Figura 5.3 – Estabilização do eixo central do maciço (enfilagens e DHPs), Túnel Laranjeiras, 2014