R ISCOS G EOLÓGICOS

Os riscos geológicos estão relacionados aos processos de formação geológica do maciço estudado, estando o mesmo relacionado predominantemente à geodinâmica interna ou externa da sua formação. Desta maneira, dividimos os riscos geológicos em riscos endógenos, que envolvem a geodinâmica interna, como: terremotos, vulcanismo, tsunamis e riscos exógenos, ligados a geodinâmica externa, ou seja, processos correlatos à erosão/assoreamento, subsidência e colapsos, solos expansivos, entre outros. Sendo este, nosso âmbito de estudo.

A partir do conhecimento da geologia local, a garantia da estabilidade durante o processo de implantação de túneis aumenta começando já nos estudos de viabilidade. Neste período, é importante conhecermos o modelo geológico e hidrogeológico proposto, definindo de maneira clara as superfícies de contato e a posição da linha freática. Estas informações são obtidas a partir de levantamentos/mapeamento de campo e campanhas de ensaios e sondagens. Estas informações são importantes na definição do perfil geológico-geotécnico, a partir do eixo de implantação do túnel.

Já na sequência da implantação de túneis, são apresentadas a seguir, algumas anomalias geológicas que podem surgir inesperadamente, causando rupturas e/ou colapsos em túneis.

4.4.1.1 Falhas

As falhas geológicas, também conhecidas como falhamentos, são fraturas encontradas em maciços rochosos, fazendo com que estes sofram movimentos relativos em suas formações estruturais. Estas anomalias são formadas, pela ação dos agentes internos existentes e se manifestam em áreas sob forte presença de formação tectônica quanto em regiões já estabilizadas. As falhas geológicas são um dos fatores responsáveis pelos colapsos em escavações subterrâneas e/ou túneis.

Após a formação das fraturas geológicas, os blocos se movimentam em sentidos diferentes, sempre direcionados à força geradora da cunha de ruptura. Assim, elas passam a se movimentar em relação a outra gerando um atrito constante, ocasionando em alguns casos, travamentos em virtude da fricção. A partir do travamento das falhas, as forças continuam ativas e acumulando energia, liberando a mesma quando acontece a acomodação, gerando a movimentação que chamamos de abalos sísmicos.

Figura 4.3 – Influência das falhas nas escavações subterrâneas

(a)Falha normal; (b) Falha inversa; (c) Falha transcorrente; (d) Falha obliqua, UNB/GEOTECNIA, 2004

Figura 4.4 – Aspectos geomorfológicos de uma escarpa de recuo de falha, UNB/GEOTECNIA, 2004

Esta anomalia, favorece a percolação de água, devido aos muitos vazios preenchidos pelas as águas superficiais ou pelas linhas freáticas subterrâneas. Os maciços nesta condição, sofrem devido à alta permeabilidade gerada pelo material fraturado, trazendo menor competência ao maciço utilizado para a implantação de túneis. Assim, a posição das falhas em relação ao eixo do túnel, gera uma condição crítica de potencial colapso. Como segurança, deve-se privilegiar a orientação das falhas, sempre perpendicular ao eixo de implantação do respectivo túnel.

A condição crítica que as falhas trazem para o processo de escavação, levam a serem estudadas novas opções de traçado para o túnel, reduzindo assim os potenciais riscos de colapsos. Assim, o conhecimento antecipado desta anomalia, reduz substancialmente os riscos inerentes a este processo de escavação. As metodologias executivas utilizadas para tratar maciços com a presença de falhas são injeções de consolidação, enfilagens, jet-grouting, DHPs, etc.

Ressaltamos que, a presença de fraturas é encontrada mais comumente em regiões sob forte influência tectônica. Entretanto, o território brasileiro não está livre delas, estando concentradas nas regiões Sul e Sudeste.

4.4.1.2 Dobras

As dobras se formam quando uma camada de superfícies originalmente planas, como estratos sedimentares, é encurtada e curvada devido à aplicação de uma determinada tensão. Podemos encontra-las em tamanhos variados, e escalas diversas, indo desde a escala microscópica a dobras do tamanho de montanhas.

Figura 4.5 – Mecanismos de formação de dobras (a) Flambagem (b) Cisalhamento Simples, UNB/GEOTECNIA, 2004

Elas podem ocorrer como dobras isoladas ou em uma sequência de dobras de tamanhos variados. A sua formação impressiona até os mais experientes geólogos, devido a sua variabilidade geológica e sempre muito sólida e resistentes, mostrando um comportamento plástico (ou dúctil). Para sua interpretação, e necessário conhecer sua geometria, necessitando de orientação espacial que se faz, principalmente pelo posicionamento espacial de seus flancos e eixo. Desta maneira, podemos tratá-las como:

(a) Sinclinal: dobra com convexidade para baixo, quando conhecidas suas relações estratigráficas, ou seja, rochas mais novas encontram-se no seu núcleo.

(b) Anticlinal: dobra com convexidade para cima, quando conhecidas suas relações estratigráficas, ou seja, rochas mais antigas encontram-se no seu núcleo.

O posicionamento de túneis em maciços com a presença de dobras anticlinal, passam por alta influência de condições permeáveis, devido as altas cargas cisalhantes existentes. Já numa condição sinclinal, o maciço sofre pela interrupção das condições permeáveis e não permeáveis, originando o posicionamento de bolsões de água. Assim, verifica-se forte influência das tensões locais, o que pressupõe um alto estado de fraturação dos materiais resistentes, GOMES, D. (2012).

Figura 4.6 – Tipos de dobras: dobras Anticlinal e Sinclinal, UNB/GEOTECNIA, 2004

Para uma visão tridimensional da dobra é necessário se conhecer as atitudes de seu eixo e de sua superfície axial. A atitude do eixo é determinada por dois parâmetros:

• Direção de sua projeção horizontal no plano (direção do traço axial), situada no plano axial;

• Mergulho ou ângulo entre o eixo e sua projeção horizontal.

• Podemos analisar a competência e incompetência em uma dobra, a partir das seguintes definições:

• Rochas competentes: reagem de maneira rígida diante da deformação, podendo resultar em deformações no material dobrado e/ou na encaixante (ex: quartzitos, silexitos, calcários).

• Rochas incompetentes: comportam-se plasticamente diante da deformação, dobrando- se mais intensamente.

4.4.1.3 Juntas

Juntas são fraturas que durante a sua formação, não se movimentaram. Seu início está ligado ao processo de formação do maciço, apresentando esforços adiastróficos (primários), ou seja, não tectônicos (juntas de resfriamento), quanto diatróficos (secundários) juntas de origens tectônica, originada de uma estrutura regional bem definida. De maneira abrangente, em sua aplicação na implantação de túneis, as juntas definem o estado de fragmentação do maciço rochoso. Para isso, é importante a definição de domínios homogêneos, ou seja, a área na qual um elemento se apresenta contínuo e sem variações significativas.

Assim, quando da escavação para implantação de túneis, é importante o levantamento sistemático de cada domínio, definindo as famílias presentes e a posição do bloco unitário e sua orientação.

Como importância prática das juntas, na implantação de túneis, verificam-se que:

• Facilitam o desmonte, mas impõem a necessidade de escoramentos.

• Permitem a formação de aquíferos, mas por outro lado permitem a infiltração de água em obras subterrâneas.

• Condicionam o relevo e a drenagem, permitem a ação rápida da erosão, propiciando a mais rápida degradação do terreno.

• Em sua formação, facilitam o desmonte de rocha, porém devido a sua condição fraturada, prejudicam a retirada de blocos intactos.

Desta maneira, quando do processo de escavação de túneis, caso as respectivas juntas estejam orientadas na direção dos planos principais das anomalias (Figura 4.7), verificaremos que as regiões de maior instabilidade serão predominantemente, nas paredes laterais e na abóbada do túnel.

Figura 4.7 – Influência das juntas nas escavações subterrâneas - GOMES, D. 2012

O posicionamento do eixo do túnel (Figura 4.8), em relação a orientação das juntas e a respectiva estratificação, é fundamental para que sua estabilidade seja verificada.

Figura 4.8 – Influência das dobras nas escavações subterrâneas - GOMES, D. 2012

Nos Quadros 4.2 e 4.3, apresentam a ação da inclinação das juntas, como influência direta na geometria de escavação de túneis e sua relação com a estabilidade, quer de teto e paredes laterais, para as diversas inclinações.

Tabela 4.2 – Ação das juntas na geometria de túneis (paralelo e oblíquo)

Disposição Geométrica Inclinação Teto Parede

Túnel paralelo à estratificação

Túnel oblíquo a estratos inclinados

α > 60° Rupturas grandes Estáveis

20°< α < 45° Rupturas Estáveis

α < 45° Estável Ruptura

α < 45° Estável Estáveis

45°< α < 75° Estável Algumas rupturas

α < 75° Estável Rupturas

Fonte: GOMES, D. 2012

Tabela 4.3 – Ação das juntas na geometria de túneis (perpendicular)

Disposição Geométrica Inclinação Teto Parede

Túnel perpendicular aos

estratos β > 60° Estável Estáveis

45°< β < 60° Alguns desprendimentos Desprendimentos quando o avanço é contra a inclinação 20°< β < 45°

Ruptura de teto Muitos desprendimentos β < 20° Ocorrência de chaminés Poucos desprendimentos

Assim, visando combater a instabilidade em processos de escavações em túneis, encontramos metodologias recentes para o controle das convergências de maciços rochosos, sujeitas a anomalias críticas de movimentação (juntas/fraturas), devido ao elevado campo de tensões do maciço.

Figura 4.9 – Tipos de instabilidade em túneis, GOMES, D. 2012

4.4.1.4 Linha Freática Elevada

A implantação de túneis normalmente requer escavações abaixo da linha freática, ou que interceptam a mesma. Tais escavações podem exigir tanto uma drenagem, como um rebaixamento da respectiva linha freática. Para tratar a presença de água nas frentes de escavação, devem ser observados os diversos níveis freáticos no maciço, verificando as vazões a serem bombeadas e as condições de recalque. Ressalta-se que, a partir das intervenções nas linhas freáticas, são produzidas alterações nas condições naturais do maciço. Estas condições, podem produzir saturação excessiva do maciço, reduzindo assim o fator de segurança na frente de escavação. De outra forma, é preciso observar também, a existência de ruptura hidráulica, devido a presença de águas artesianas, confinadas entre certos estratos do maciço.

Figura 4.10 – Frente de escavação paralizada, devido percolação elevada pelas fraturas, Túnel Laranjeiras, 2014

Conforme foto acima, a presença elevada da linha freática, associada as fraturas existentes no maciço, proporcionaram a paralização da frente de escavação, gerando instabilidades ocasionadas pela redução do fator de segurança do maciço escavado.

4.4.1.5 Influência das Tensões em Maciços Rochosos

A estimativa de certos parâmetros é difícil de ser realizada, não pela falta de pessoal técnico, equipamento ou procedimentos qualificados, mas, sobretudo, pelas condicionantes técnicas impostas pelo fator de escala dos ensaios diante do maciço rochoso. Essas dificuldades são decorrentes das dimensões e do volume de equipamentos necessários para que uma campanha de ensaios de campo apresente resultados satisfatórios e representativos do maciço rochoso.

Felizmente, numerosos autores vêm concentrando esforços na busca de ferramentas matemáticas que auxiliem na estimativa dos parâmetros geomecânicos do maciço rochoso. Desses esforços, surgiram os conhecidos critérios de ruptura, que relacionam o estado de

Entre o vasto número de critérios de ruptura, destaca-se o critério generalizado de Hoek-Brown (1981), que tem evoluído gradualmente (HOEK, 1981), (HOEK, 1994), (HOEK, 1999), (HOEK, 2001), principalmente em função das necessidades dos projetistas e construtores. Tem sido aplicado a diversos casos não contemplados pela versão original (HOEK; BROWN, 1980). Assim, a aplicabilidade das equações empíricas e semiempíricas dos vários critérios de ruptura apresenta resultados bastante satisfatórios, quando respeitadas as restrições conceituais impostas por seus autores.

O Tabela 4.4 tenta representar de forma generalizada a influência dos parâmetros geológicos nos modos de ruptura em maciços subterrâneos.

Tabela 4.4- Influência das condições estruturais do maciço rochoso e do estado de tensão no modo de ruptura (adaptado)

Maciço rochoso intacto Maciço rochoso moderadamente fraturado Maciço rochoso moderadamente fraturado B a ix o s n ív eis de te n sõ es

Estável Queda de blocos e cunhas Desagregação da parede

M o de ra d o n ív el d e te ns õ es

Ruptura localizada ao redor da

escavação _{escavação e movimento de blocos} Ruptura localizada ao redor da

Ocorrência de ruptura localizada e desagregação da parede E le v a d o n ív el d e te n sõ es

Ruptura generalizada ao redor da escavação Ruptura generalizada ao redor da escavação e movimento de blocos Desenvolvimento do processo de “squeezing” Fonte: Hoek (1983).

5 MECANISMOS DE RUPTURAS EM MACIÇOS ROCHOSOS