Tópicos Especiais em Solos e Rochas

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Tópicos Especiais em Solos e

Rochas

Obras Subterrâneas

Tarcísio B. Celestino

Depto. de Geotecnia, EESC-USP Themag Engenharia

(2)

Conteúdo

1. Necessidade de planejamento do

espaço subterrâneo urbano

2. Enganos e evolução de conceitos

na ligação São Paulo – Santos

3. Confiabilidade e segurança de

túneis

4. Algumas obras subterrâneas em

São Paulo

5. Conceitos de projetos de túneis

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1 - Necessidade de planejamento do espaço subterrâneo urbano

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Necessidade de planejamento do

espaço subterrâneo urbano

• 50% da população mundial vive em cidades hoje • 70% da população mundial será urbana em 2050 • População urbana crescerá 80% até 2050

• Necessidade de infraestrutura urbana para população adicional

• Necessidade de atender demanda reprimida atual em países em desenvolvimento

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P r i n c i p l e s i n T u n n e l i n g D e s i g n , 2 2 – 2 4 N o v e m b e r 2 0 1 2 M e x i c o

• “Underground chaos” (Cornaro & Admiraal, 2012)

• “É de quem chegar primeiro”

• Consequências

proporcionais à escala da obra: custo e prazo

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Racionalização de uso do solo

Estação Iidabashi

(7)

Importância de túneis para

infraestrutura urbana

“...

Tunnels will be a useful tool for water

and

energy

supply,

sewerage

and

transportation systems. Therefore, there

will be a great challenge for underground

systems and for economic solutions for

infrastructure

”.

(8)

Dr. Aliye P. Celik, 1996

United Nations

Chairperson of the Habitat II Conference,

Istanbul

Importância de túneis para

infraestrutura urbana

(9)

Avaliação de custos de obras

subterrâneas

• Custos de construção

• Custos operacionais

• Consequências de longo prazo

• Externalidades

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Example of externality cost

evaluation

Exemplos de avaliação de custos de

externalidades:

U.S. Congress Office of Technology

Assessment

• OTA 1993: produção de eletricidade

• OTA 1994: atividades de transporte

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▪ Percurso em Túnel vs Superfície

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 Distância em linha reta: 4.2 km  Estrada em superfície: 6.4 km  Máxima elevação: 320 m  Greide: 6%  VDM: 12.325 veíc./dia 13

SP-55 – Maresias-Boiçucanga

(14)

Túnel vs superfície

• Distância adicional percorrida: 11.5 milhões km/ano • 288 voltas ao redor da terra!

• Custo adicional operacional de

veículos:

US$ 1,42 bilhões

nos últimos 40 anos!

14

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Elevados Urbanos

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Oposição de ambientalistas brasileiros

a obras subterrâneas

 Túnel sob o parque do Ibirapuera

(“lago iria secar”)

 Reservatório subterrâneo de

petróleo em São Sebastião (“explodir montanha”)

 Túnel do Rodoanel de São Paulo sob

a Serra da Cantareira (“nuvem de fumaça sobre a serra”)

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2- Enganos e evolução de conceitos na ligação São Paulo - Santos

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Sistema Subterrâneo para Transporte

de Containers

(31)

Rodovia dos Imigrantes

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3 - Confiabilidade e segurança de túneis

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Terremoto de Loma Prieta

17/10/1989

 Magnitude; 6,9 Richter

 Distância epicentro: 100 km

 Ponte (Bay Bridge): danos severos,

colapso de um tramo, 69 mortos

 Túnel: voltou a operar 24 horas

depois de vistoria; trem trafegando no túnel no momento do terremoto, ninguém percebeu

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Terremoto de Loma Prieta

17/10/1989

(37)

8 m 57 kN/m2

85 kN/m2

Sprayed concrete application: general conecpts and applications

TUNNELS AND SHAFTS

Conventional Rock Tunnelling and sprayed concrete technology

WTC 2011, Helsinki - Friday 20 – Saturday 21 May 2011

37

2

Case History of Shallow Tunnel

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f (R), f (Q) R, Q R Q Resistance (R) Load Effects (Q)

Load effects and resistance

b.s Z f (Z) Z=R-Q Failure Region Area = p_f Margin of safety Z = R – Q Q R FS  2 2 a R Q R s s b    2 2 1 1 Q R FS R s s b       

TUNNELS AND SHAFTS

38

2

Probability Density Functions

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Espessura 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 18% 8 11 14 17 20 23 26 29 e (cm ) Fc 0% 5% 10% 15% 20% 25% 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Fc (MPa) c.v. = 14,3 % Thickness fc t = 19.5 cm c.v. = 25,5 % fc = 40.1 MPa t (cm)

TUNNELS AND SHAFTS

39

2

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Diagrama de Interação -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 -8000 -7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 N (kN) M ( k N.m ) Esforços_Internal Forces z P_F= 1 : 32800 M ( kN .m) N (kN)

TUNNELS AND SHAFTS

40

2

Moment-thrust Interaction Diagrams

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4 – Algumas obras subterrâneas em São Paulo

(42)

Av. Heitor Penteado

(43)

Av. Heitor Penteado

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Braced Excavation or Sprayed Concrete Shafts

– 1970s

Shafts

4 4

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José Eusébio Shaft, São Paulo Line 4

Shotcrete for shaft support

4 5

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Empuxos no Revestimento Primário 755 760 765 770 775 780 785 790 795 800 805 810 -800 -600 -400 -200 0 Co ta ( m ) Empuxo (kN/m)

Parede do poço e fases de escavação Tensões efetivas em repouso Empuxo devido à escavação Empuxo devido ao Edifício Empuxo total 3Agp1 3Agp2 3Ag1A 3Ag2 3Ar2 3Ag2 3Ag1B 3Ar1 3Ag1B 807.6 802.1 792.1 788.6 780.5 777.1 773 766 761.6 767.5

José Eusébio Shaft

Earth pressure [kN/m] El ev at ion [m ]

- Shaft lining and escavation phases - Effective stress at rest - Earth pressure due to excavation

- Earth pressure due to construction

- Total earth pressure

4 6

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São Paulo Metro Luz Station Shaft

4 7

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3D simulation

4 8

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Métodos de Projeto 52

Métodos de Projeto

➢ Empíricos (Classificações Geomecânicas) ➢ Semi-Empíricos ➢ Observacionais ➢ Rigorosos

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Pontos para Projeto

➢ Integridade do suporte ➢ Pressão Interna ➢ Carregamento do Maciço ➢ Macaqueamento Hidráulico ➢ Estabilidade da Escavação ➢ Recalque aceitáveis

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Métodos Empíricos – Bieniawski

Tempo de auto-sustentação

(55)

Tunnel Design Empirical Methods 55

Métodos empíricos - Barton

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Yield Density 56

Recalques - Flexibilidade da

Curva Yield-Density

(57)

Yield Density 57

(58)

30 cm

AREIA

FILME DE ACETATO

2 cm

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Caverna de Paulo Afonso IV

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Schwartz & Einstein (1980)

Método de convergência-confinamento 1 - T, M da interação maciço-suporte

(Solução 2D)

2 - l_d correção devida a atraso da instalação do suporte, L_d

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Métodos de Projeto 61  





 



*



2 2 * 0 1 1 2 cos 2 1 1 1 2 1 a k a k pR T _ _ _ _ _ _ 1 



1 2



cos2 2 1 * 2 2 k a pR M _ _ _    21  1 



5 6 1 



cos2 1 1 * 2 * 0         k a k a pR uE p kp 

(62)

Métodos de Projeto 62           1 1 * * * * * * * 0 F C F C F C a





         6 5 6 1 2 1 6 * * * 2 _ _ _    F F a







2



2 * 1 1      s s s A E ER C







2



2 3 * 1 1      s s s I E ER F

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Ground Properties Support Properties Case Radius

R _E _ _E

g g h

C* F*

1 10 ft. 15000 psi 0.30 1.94 x 106 pol 0.30 6.0 in. 0.134 484.0

2A 10 5000 0.40 1.94 x 106 0.30 6.0 0.0528 191.0

2B 10 5000 0.30 1.94 x 106 0.30 6.0 0.0447 161.0

3 10 1.5 x 105 0.15 3.0 x 106 0.15 6.0 1.0 4800

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Métodos de Projeto 66          R L T T _d RSS FE d 0,98 0,57 l

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Concreto projetado

Rigidez crescente com o tempo

 Modelo reológico complexo

 Deformação lenta

 Retração

 Ganho de rigidez com o tempo

Pesquisa na EESC-USP sobre modelos estruturais de campo

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Shotcrete for Underground Support 71 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 age (days) E ( G P a )

cores int porous soil int membrane ext

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Análise 2D: Método da

Pressão Fictícia (

Panet, 1976

)

p_r=

p₀

p_r= a.p₀ p_r= zero

Tensão inicial atuando no perímetro a ser escavado Escavação, aplicação de pressão fictícia no perímetro Instalação do suporte e eliminação da pressão fictícia

(73)

Métodos de Projeto 73 Métodos Rigorosos - Análise 3-D na

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Processo Construtivo

1 – Dragagem do leito

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2 – Construção em paralelo de

elementos pré-moldados

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3 – Transporte de elementos

pré-moldados

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Infraestrutura brasileira

 118a no mundo (Fórum Econômico Mundial)

 Safra de grãos: caminhões atolados

 Comunidade Europeia: 1,5 tri € até 2030

 Índia: Metrô Nova Delhi 45 km subterrâneo

em construçao com 35 máquinas ao tempo; 12 km de rodovia de 2 pistas por dia;

Mumbai 17 máquinas ao mesmo tempo

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