2001 Alexandra Ferreira Da Costa Delgado Tese de Mestrado

ESCOLA DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO MINHO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

Concepo e Projecto de Tneis em Obras Virias

Anlise do Tnel 4 do Porto

ALEXANDRA MARIA EIRAS FERREIRA DA COSTA

Dissertao submetida para a obteno do grau de Mestre em Engenharia Civil

Pela Escola de Engenharia da Universidade do Minho

Dissertao realizada com o apoio da Fundao para a Cincia e Tecnologia

Julho de 2001

RESUMO

Actualmente, as grandes metrpoles debatem-se com problemas crescentes na obteno de

novas reas de expanso, o que lhes impe graves limitaes a um desenvolvimento

continuado. A deslocao das vias rodovirias para debaixo da terra surge como uma

soluo possvel face falta de espao e consequente valorizao crescente dos terrenos

superfcie. Permite por outro lado o alvio do meio ambiente e do homem, sendo mais um

passo em direco desejada melhoria das condies de vida.

Aderindo tendncia actual, a Cmara Municipal do Porto decidiu, por forma a mitigar os

problemas de trfego na cidade, executar quatro novos tneis rodovirios.

Neste trabalho estuda-se os tneis superficiais, centrando o estudo num desses quatro

tneis, o Tnel 4, o qual faz a ligao entre a Avenida Ferno de Magalhes e a Praa das

Flores.

O captulo 1 constitui um prembulo dos estudos desenvolvidos. Comea-se por tentar

integrar, numa perspectiva histrica, os desenvolvimentos da construo de tneis e seus

objectivos. Referem-se os objectivos gerais do trabalho e os vrios captulos da tese.

No captulo 2 referem-se alguns aspectos do comportamento de tneis, relacionados com

os efeitos tridimensionais da frente de escavao e com a estrutura compsita macio-

suporte.

No captulo 3 faz-se uma descrio dos mtodos construtivos de tneis superficiais.

O captulo 4 est devotado aos mtodos de previso dos movimentos induzidos pela

escavao de tneis superficiais e importncia da sua monitorizao.

No captulo 5 descrevemse alguns estudos paramtricos planos que permitem criar alguma

sensibilidade em relao resposta do macio perante a variao de alguns parmetros

definidores do problema.

A partir do captulo 6 entra-se na anlise do Tnel 4 propriamente dita. A descrio da

obra e da sua monitorizao feita no captulo 6. Os clculos planos efectuados so

descritos e comentados no captulo 7.O captulo 8 constitui o fecho do trabalho. Aponta

perspectivas futuras para desenvolvimentos no tema tratado.

ABSTRACT

Nowadays, metropolises face a great deal of problems regarding construction space

planning, which imposes severe limitations on continuous development.

Constructing underground appears as a possible solution, opposing to the lack of space and

growing valorisation of aboveground land. On other hand, it allows the minimisation of

environmental and social impact, constituting an extra step towards a better way of life.

Going with the flow, the Municipality of Oporto decided to undertake the construction of

four new highway tunnels, as a way to minimise traffic problems.

The present work is about shallow tunnels, focusing on one of the four tunnels mentioned

above, Tnel 4, which connects Ferno de Magalhes Avenue and Praa das Flores Square.

Chapter 1 is a preamble of the developed studies. It starts by trying to integrate, in an

historical perspective, the developments of tunnelling and their objectives. It points out

the main goals of the present dissertation and articulates the several chapters included.

Chapter 2 describes the main aspects of tunnel behaviour, devoting special emphasis to

three dimensional aspects of tunnel driving and the interaction between the rock mass

and the support structure.

Chapter 3 describes several construction methods for shallow tunnels.

Chapter 4 is devoted to prediction of ground movements induced by tunnelling and the

importance of monitoring the deformations.

On Chapter 5, a few twodimensional parametric studies are described, which allow the

development of some sensitivity regarding the rock mass response to the changes on the

defining parameters of the problem.

Chapter 6 presents the tunnel under study and the results of the monitoring campaign.

Chapter 7 is devoted to the presentation of the two-dimensional calculations done and to

the discussion made on them.

Chapter 8 concludes the present work. It points out perspectives to future developments

on the broached theme.

AGRADECIMENTOS

Nos momentos em que o desnimo domina, o apoio e incentivo de amigos, professores,

colegas e famlia permite recomear e manter a esperana. A todos os que a acudiram em

momentos difceis e contriburam para a concretizao deste trabalho, a autora deseja

expressar os seus sinceros agradecimentos :

- minha me, pelo apoio incondicional e por todas as horas em que prescindiu dos seus

afazeres e interesses para tomar conta dos meus filhos ;

- ao Professor Francisco Martins, orientador cientifico deste trabalho, pela

disponibilidade com que sempre me apoiou;

- ao Engenheiro Jorge Almeida e Sousa que colaborou intensamente na realizao deste

trabalho. O seu permanente optimismo, as brilhantes sugestes, a interpretao e

discusso de alguns resultados e a sua dedicao incondicional geotecnia constituram

uma inspirao e orientao indispensveis;

- ao Professor Barreiros Martins pela bibliografia disponibilizada e interesse

demostrado;

- ao Professor Antnio Campos e Matos, co-orientador deste trabalho, pelo contacto com

a empresa projectista do Tnel 4, Geoconsult, com a Cmara Municipal do Porto e pela

cedncia dos meios de clculo;

AGRADECIMENTOS

- ao Engenheiro Gabriele, da Geoconsult, pela cedncia de alguns elementos relativos ao

projecto e por esclarecimentos prestados;

- Doutora Lusa Borges, da Cmara Municipal do Porto, pela cedncia dos relatrios

semanais da monitorizao;

- aos colegas da Universidade do Porto, principalmente o Professor Matos Fernandes, o

Rui Calada e o Topa Gomes, pelo apoio demonstrado, esclarecimentos preciosos e

facilidades concedidas;

- Cmara Municipal do Porto, pela utilizao dos elementos que constituem o

anteprojecto do tnel analisado;

- F.C.T. pelo apoio financeiro concedido;

- aos meus colegas de mestrado, principalmente Ana, pela companhia;

- finalmente, minha famlia, principalmente aos meus filhos, pelas muitas horas que

precisei de roubar sua convivncia.

NDICE DE TEXTO

1. CONSIDERAES INICIAIS 1-1

1.1 REFERNCIA HISTRICA 1-1

1.2 IMPORTNCIA DOS MTODOS NUMRICOS NO DIMENSIONAMENTO DE TNEIS 1-7

1.3 OBJECTIVO DA TESE 1-10

3. MTODOS CONSTRUTIVOS DE TNEIS SUPERFICIAIS 3-1

3.1 CONSTRUO COM ESCUDOS 3-1

3.1.1 ESCUDOS ABERTOS 3-2

3.1.2 ESCUDOS CONFINADOS 3-3

3.1.2.1 Escudos com confinamento a ar comprimido 3-3

3.1.2.2 Escudos com confinamento mecnico 3-4

3.1.2.3 Slurry Shields escudos com confinamento lquido 3-4

3.1.2.4 EPB Shields escudos com confinamento por contra-presso de terras 3-5

3.2 CONSTRUO SEQUENCIAL NATM 3-6

3.2.1 MEDIDAS DE SUPORTE CORRENTEMENTE UTILIZADAS 3-10

3.2.1.1 Beto projectado 3-10

3.2.1.2 Cambotas metlicas e pregagens 3-12

3.3 TNEIS PR-REVESTIDOS 3-16

3.3.1 PR-CORTE MECNICO 3-16

3.3.2 JET-GROUTING 3-17

3.3.3 ARCOS CELULARES 3-18

3.4 MELHORAMENTO E REFORO DE TERRENOS 3-19

5. ESTUDOS PARAMTRICOS 5.1

5.1 INTRODUO 5.1

5.2 PROGRAMA DE ELEMENTOS FINITOS 5.1

5.3 CLCULO DE BASE 5.2

5.4 VARIVEIS ANALISADAS 5.3

5.4.1 PROCESSO CONSTRUTIVO 5.3

5.4.2 CONDIES GEOMTRICAS 5.9

5.4.3 ESTADO DE TENSO INICIAL 5.15

5.4.4 PARMETROS ELSTICOS DO MACIO 5.18

5.4.5 PARMETROS PLSTICOS DO MACIO 5.23

6. DESCRIO DA OBRA 6-1

6.1 INTRODUO 6-1

6.2 CARACTERSTICAS GEOMTRICAS 6-2

6.3 CONDIES GEOLGICAS E GEOTCNICAS 6-3

6.3.1 CONDIES GEOLGICAS 6-3

6.3.1.1 Geologia Geral 6-3

6.3.1.2 unidades litolgicas 6-4

6.3.2 PROGRAMA DE INVESTIGAO 6-5

6.3.2.1 Estudo de Afloramentos 6-5

6.3.2.2 Reconhecimento Geofsico 6-8

6.3.2.3 Levantamento de Poos de gua 6-10

6.3.2.4 Poos de Prospeco 6-11

6.3.2.5 Campanha de Sondagens 6-11

6.3.2.6 Ensaios In Situ 6-11

6.3.2.7 Condies Hidrogeolgicas 6-13

6.3.3 PROPRIEDADES MECNICAS DAS UNIDADES LITOLGICAS 6-14

6.3.3.1 Avaliao e discusso das propriedades mecnicas 6-14

6.3.3.2 Parmetros Geotcnicos para as Unidades Litolgicas 6-19

6.3.4 DEFINIO DAS UNIDADES GEOTCNICAS 6-19

6.4 PROCESSO CONSTRUTIVO 6-23

6.5 OBSERVAO DA OBRA 6-26

6.5.1 PLANO DE OBSERVAO 6-26

6.5.1.1 Breve Descrio dos Aparelhos 6-27

6.5.2 RESULTADOS DA OBSERVAO 6-31

6.5.2.1 Seco B1 6-33

6.5.2.2 Seco B2 6-36

6.5.2.3 Seco B3 6-40

6.5.2.4 Anlise Comparativa das Seces em Estudo 6-44

6.5.2.5 Consideraes 6-45

NDICE DE FIGURAS

1. CONSIDERAES INICIAIS

Figura 1. 1- Inaugurao do Tnel sob o Tamisa por Marc Brunel em 1843 ............................ 1-4

Figura 1. 2- Tcnica tuneladora utilizada no tnel sob o Rio Tamisa ........................................ 1-4

3. MTODOS CONSTRUTIVOS DE TNEIS SUPERFICIAIS

Figura 3. 1- Execuo, com recurso a uma tuneladora, de um tnel atravs dos Alpes

Italianos (1860 ligao Inglaterra - ndia) .................................................................................... 3-1

Figura 3. 2- Escudo de frente aberta (Whittaker Frith,1990 em Almeida e Sousa,1998) 3-3

Figura 3. 3- Esquema de um escudo com confinamento lquido ................................................. 3-4

Figura 3. 4- Pormenor da cabea cortante de uma tuneladora EPB......................................... 3-5

Figura 3. 5- Esquema de um escudo EPB (R. J. Mair e R. N. Taylor, 1997) ............................ 3-6

Figura 3. 6- Exemplo de um processo de uma escavao faseada ............................................ 3-9

Figura 3. 7- Pregagem tipo Swellex da Atlas Copco (Hoek et al., 1995)................................3-15

Figura 3. 8- Esquema de pregagem ancorada e injectada com resina ....................................3-16

Figura 3. 9- Pr-corte mecnico (R. J. Mair e R. N. Taylor, 1997)..........................................3-17

Figura 3. 10- Pr-revestimento por jet-grouting (R. J. Mair e R. N. Taylor, 1997) ............3-18

Figura 3. 11- Aplicao da tcnica dos arcos celulares na execuo de um tnel rodovirio

em Seattle, EUA.................................................................................................................................3-19

Figura 3. 12- Exemplo de controle dos assentamentos com injeces de compensao ....3-21

Figura 3. 13- Utilizao de enfilagens de pequeno comprimento no reforo do macio

envolvente de um tnel (AFTES, 1995 em Almeida e Sousa, 1998) .......................................3-22

5. ESTUDOS PARAMTRICOS

Figura 5. 1 - Caracterizao do clculo de base ............................................................................ 5.2

Figura 5. 2 - Malha de elementos finitos utilizada no clculo de base..................................... 5.3

Figura 5.3 - Desenvolvimento das zonas em cedncia ..................................................................5-8

Figura 5. 4 Desenvolvimento das zonas em cedncia (clculo 6)............................................. 5.6

Figura 5. 5 Efeito da distncia frente de escavao a que instalado o suporte:

a)assentamentos superfcie do terreno; b) assentamentos superfcie normalizados; c)

deslocamentos verticais de pontos situados no eixo de simetria acima do tnel .................. 5.7

Figura 5. 6 Efeito da rigidez da estrutura de suporte: a) assentamentos superfcie do

terreno; b) assentamentos superfcie normalizados; c) deslocamentos verticais de pontos

situados no eixo de simetria acima do tnel................................................................................... 5.8

Figura 5. 7 Influncia da profundidade do eixo do tnel sobre o assentamento mximo

superfcie e o deslocamento vertical sobre o coroamento........................................................ 5.10

Figura 5. 8 - Influncia da profundidade do eixo do tnel na largura da bacia de

subsidncia........................................................................................................................................... 5.10

Figura 5. 9 - Influncia da profundidade do eixo do tnel sobre os deslocamentos verticais

ao longo do eixo de simetria acima do coroamento......................................................................5.11

Figura 5. 10 Influncia do dimetro do tnel nos assentamentos superfcie do

terreno............................................................................................................................................... ...5.12

Figura 5. 11 Variao do assentamento mximo superfcie com o quadrado do dimetro

do tnel...................................................................................................................................................5.12

Figura 5. 12 - Influncia do dimetro do tnel na largura da bacia de subsidncia............ 5.13

Figura 5. 13- Variao linear do amortecimento dos deslocamentos verticais em

profundidade com o dimetro do tnel.......................................................................................... 5.13

Figura 5. 14- Influncia da distncia ao estrato rgido sobre os deslocamentos verticais ao

longo do eixo de simetria acima do coroamento .......................................................................... 5.14

Figura 5. 15- Influncia da distncia ao estrato rgido nos assentamentos superfcie do

terreno.................................................................................................................................................. 5.14

Figura 5. 16 Propagao das zonas de cedncia para K0 = 0.3 .............................................. 5.16

Figura 5. 17- Efeito de K0 nos movimentos induzidos pela escavao: a) assentamentos

superfcie do terreno; b) assentamentos superfcie normalizados; c) deslocamentos

verticais de pontos situados no eixo de simetria acima do tnel ............................................ 5.17

Figura 5. 18- Efeito do coeficiente de Poisson nos movimentos induzidos pela escavao: a)

assentamento mximo superfcie do terreno; b) assentamentos superfcie normalizados;

c) deslocamentos verticais de pontos situados no eixo de simetria acima do tnel ...........5.20

Figura 5. 19- Efeito do mdulo de deformabilidade nos movimentos induzidos pela

escavao: a) assentamento mximo superfcie do terreno; b) assentamentos superfcie

normalizados; c) deslocamentos verticais de pontos situados no eixo de simetria acima do

tnel....................................................................................................................................................... 5.21

Figura 5. 20- Efeito da variao em profundidade do mdulo de deformabilidade nos

movimentos induzidos pela escavao: a) assentamento mximo superfcie do terreno; b)

assentamentos superfcie normalizados; c) deslocamentos verticais de pontos situados no

eixo de simetria acima do tnel ......................................................................................................5.22

Figura 5. 21- Efeito do ngulo de atrito nos movimentos induzidos pela escavao: a)

assentamentos superfcie do terreno; b) assentamentos superfcie normalizados; c)

deslocamentos verticais de pontos situados no eixo de simetria acima do tnel ................5.25

Figura 5. 22- Efeito da coeso nos movimentos induzidos pela escavao: a) assentamento

mximo superfcie do terreno; b) assentamentos superfcie normalizados; c)


Figura 5. 23- Efeito da variao em profundidade da coeso nos movimentos induzidos pela

escavao: a) assentamento mximo superfcie do terreno e sobre o coroamento; b)

assentamentos superfcie normalizados; c) deslocamentos verticais de pontos situados no

eixo de simetria acima do tnel ......................................................................................................5.27

Figura 5. 24- Efeito do ngulo de dilatncia nos movimentos induzidos pela escavao: a)

assentamentos superfcie do terreno; b) assentamentos superfcie normalizados; c)


6. DESCRIO DA OBRA

Figura 6. 1- Localizao dos quatro tneis rodovirios ................................................................6-1

Figura 6. 2- Entrada do Tnel 4 do lado da Praa das Flores ( 11 de Junho de 2000 )....... 6-2

Figura 6. 3- Perfil longitudinal do tnel mineiro........................................................................... 6-3

Figura 6. 4- Classificao ASTM do granito W5.........................................................................6-16

Figura 6. 5-Faseamento Construtivo Seguido para o Suporte Tipo IIIc..............................6-25

Figura 6. 6- Corte Transversal da Seco Tipo IIIc (Geoconsult, 1995a) ..........................6-25

Figura 6. 7- Extensmetro de Superfcie (Tecnasol FGE, 1997) ...........................................6-28

Figura 6. 8-Localizao das marcas de superfcie e dos extensmetros .............................6-28

Figura 6. 9- Marca de Nivelamento Topogrfico de Superfcie (Tecnasol FGE, 1997).....6-30

Figura 6. 10- Definio das fases de escavao..........................................................................6-31

Figura 6. 11- Faseamento Construtivo Seguido em Obra..........................................................6-32

Figura 6. 12- Assentamentos superficiais ao eixo em funo do tempo (Seco B1).........6-33

Figura 6. 13- Assentamentos ao eixo, em funo do avano da frente, durante a 1 fase de

escavao (Seco B1)......................................................................................................................6-33

Figura 6. 14- Assentamentos verticais ao longo do tempo para o extensmetro B1E0.....6-34



Figura 6. 17- Perfil transversal de assentamentos verticais aps o final da 1 fase de

escavao (Seco B1)......................................................................................................................6-35


escavao (Seco B1)......................................................................................................................6-36

Figura 6. 19- Assentamentos superficiais ao eixo em funo do tempo (Seco B2)........6-36


escavao (Seco B2) .....................................................................................................................6-37

Figura 6. 21- Assentamentos verticais ao longo do tempo para o extensmetro B2E0 ....6-37

Figura 6. 22- Assentamentos verticais ao longo do tempo para o extensmetro B2E3....6-38



escavao (Seco B2) .....................................................................................................................6-39


escavao (Seco B2) .....................................................................................................................6-39

Figura 6. 26- Assentamentos superficiais ao eixo em funo do tempo (Seco B3) .......6-40


escavao (Seco B3) .....................................................................................................................6-40





escavao (Seco B3) .....................................................................................................................6-42


escavao (Seco B3) .....................................................................................................................6-43

Figura 6. 33- Comparao entre os perfis longitudinais de assentamentos, durante a 1 fase

de escavao, das trs seces em estudo..................................................................................6-44

Figura 6. 34- Comparao entre os perfis transversais de assentamentos, aps a 1 fase de

escavao.............................................................................................................................................6-44

NDICE DE QUADROS


Quadro 1. 1- Os mais extensos tneis rodovirios e ferrovirios do mundo........................... 1-6

5. ESTUDOS PARAMTRICOS

Quadro 5. 1 - Alteraes, relativas ao clculo de base, para a avaliao da influncia do

processo construtivo ........................................................................................................................... 5.4

Quadro 5. 2 Influncia da rigidez do revestimento na variao dos deslocamentos em

profundidade ......................................................................................................................................... 5.5

Quadro 5. 3- Alteraes, relativas ao clculo de base, para a avaliao da influncia da

geometria...... ......................................................................................................................................... 5.9

Quadro 5. 4- Alteraes, relativas ao clculo de base, para a avaliao da influncia do

estado de tenso inicial..................................................................................................................... 5.15

Quadro 5. 5- Alteraes, relativas ao clculo de base, para a avaliao da influncia dos

parmetros elsticos ......................................................................................................................... 5.18

Quadro 5. 6.......................................................................................................................................... 5.19

Quadro 5. 7- Alteraes, relativas ao clculo de base, para a avaliao da influncia dos

parmetros plsticos do macio ......................................................................................................5.23

6. DESCRIO DA OBRA

Quadro 6. 1- Famlias de descontinuidades ................................................................................... 6-6

Quadro 6. 2- Resistncia compresso das diaclases................................................................ 6-7

Quadro 6. 3- Modelo de camadas definido pelos ensaios de refraco.................................. 6-8

Quadro 6. 4- Modelo de camadas definido pelos ensaios Downhole ........................................ 6-9

Quadro 6. 5- Litologia definida a partir das sondagens elctricas ........................................6-10

Quadro 6. 6- Parmetros estimados a partir dos ensaios SPT................................................6-12

Quadro 6. 7- Resultados e parmetros estimados a partir do ensaio pressiomtrico .......6-13

Quadro 6. 8- Localizao dos extensmetros em estudo ........................................................6-28

Quadro 6. 9- Localizao das marcas de superfcie..................................................................6-29

SIMBOLOGIA

coeficiente de alvio * factor correctivo do ensaio pressiomtrico

deslocamento assentamento

ngulo de atrito peso volmico d peso volmico seco s peso volmico das partculas slidas coeficiente de Poisson

ngulo de dilatncia a raio do tnel

C recobrimento do tnel

c coeso efectiva

D dimetro do tnel

E mdulo de deformabilidade

EM mdulo de Mnard

H profundidade do eixo do tnel

i distncia do ponto de inflexo da curva de assentamentos superficiais

K0 coeficiente de impulso em repouso

Ka coeficiente de impulso activo

NSPT n. de pancadas do ensaio SPT

p presso no suporte

R raio do tnel

Va volume de solo deslocado superfcie

Vp volume de solo deslocado no interior do tnel

VS velocidade das ondas de corte

x posio segundo o eixo horizontal

z profundidade


1.1 Referncia Histrica

Nos primrdios da construo de tneis rodovirios, estes eram executados

exclusivamente para atravessar grandes barreiras montanhosas. Hoje em dia existem dois

outros argumentos de peso que podem levar a optar pela construo de um tnel rodovirio

a falta de espao, em meios urbanos, e a magnitude do impacto ambiental causado pelas

vias rodovirias superficiais.

As grandes metrpoles debatem-se com problemas crescentes na obteno de novas reas

de construo, o que impe graves limitaes a um desenvolvimento continuado. Por outro

lado, de forma a permitir grandes velocidades de deslocao, sob boas condies de

segurana, torna-se necessrio que a ligao entre dois pontos de uma via seja feita com a

menor distncia e o maior raio de curvatura possvel.

A tendncia geral da sociedade actual aponta portanto para a deslocao das vias

rodovirias para debaixo da terra, quer pela falta de espao e consequente valorizao

crescente dos terrenos superfcie, quer pela possibilidade muito real de alvio do meio

ambiente e do homem, sendo mais um passo em direco desejada melhoria das condies

de vida.

As prticas actuais de construo de tneis resultam de uma longa e variada evoluo

histrica. No incio da histria da humanidade j se construam galerias de acesso mineiro.

Pensa-se que as primeiras actividades neste campo estejam associadas extraco de sal.

Na Babilnia, os tneis eram frequentemente usados para irrigao. Por volta de 2180 a

2160 antes de cristo, os babilnios construram uma passagem pedonal sob o Rio Eufrates,

com cerca de 900 m de comprimento, que ligava o Palcio Real ao Templo. Era revestido a

tijolos e foi construdo segundo uma tecnologia muito semelhante ao actual cut and cover.

Foi necessrio desviar o rio, o que teve lugar durante a poca seca para aproveitar a

vantagem do caudal reduzido.

CONSIDERAES INICIAIS

Os Egpcios, por sua vez, desenvolveram tcnicas de corte de rochas brandas, com recurso

a serras de cobre, usadas conjuntamente com um abrasivo. Este mtodo ter sido

desenvolvido provavelmente para a extraco de blocos das pedreiras e posteriormente

utilizado na escavao de cmaras dentro dos taludes rochosos. Por exemplo, o Templo de

Abu Simbel, no Nilo, foi construdo em grs por volta de 1250 antes de cristo, por Ramss

II. Nos anos sessenta foi desmontado e transladado para uma cota superior antes de ser

inundado pela Barragem de Aswan.

Esta tcnica foi continuada pelas civilizaes da Etipia e da ndia, as quais construram

templos ainda mais elaborados dentro de rocha slida.

Os Gregos tambm usaram intensivamente os tneis. Por volta de 1200 antes de Cristo, o

Rei de Micenas ordenou a construo de uma galeria para gua potvel. Continuando a

tradio de construo de galerias para fornecimento de gua, na cidade de Arbela ( no

actual norte do Iraque), foi construda uma galeria de 19000 metros que transportava gua

potvel directamente para o centro da cidade. Por volta do ano zero, o Imperador Cludio

de Roma ordenou a construo de uma galeria de 5600 m de comprimento e seco com

dimetro varivel entre 2.7 e 5.8 m para drenar os lagos circundantes. O trabalho contou

com a colaborao de 30000 homens durante 10 anos.

Para evitar a utilizao de revestimentos, a maioria dos tneis primitivos localizava-se em

macios rochosos razoavelmente resistentes, os quais eram partidos com recurso a um

mtodo de aquecimento - arrefecimento. Aquecia-se a rocha com fogo e subitamente

arrefecia-se com asperso de gua. Os mtodos de ventilao eram bastante primitivos,

geralmente consistindo em abanar um toldo entrada do poo de acesso pelo que a

construo de um tnel ceifava as vidas de centenas ou milhares de escravos envolvidos. Os

mtodos de ventilao e as medidas de segurana s comearam a desenvolver-se quando os

trabalhadores passaram a ser homens livres.

A construo de tneis conheceu novos avanos, quando comeou a tornar-se necessrio

acompanhar as necessidades crescentes de transporte Europeias no sculo XVII. O

primeiro foi o Canal du Midi (Frana), tambm conhecido como Languedoc, construdo em

1666-81 por Pierre Riquet, sendo o primeiro tnel a ligar o Atlntico ao Mediterrneo. A

sua construo associa-se primeira grande utilizao de explosivos em obras pblicas

1-2

CAPTULO 1

subterrneas. Foi colocada plvora em orifcios executados manualmente com brocas em

ferro.

A histria mais recente da construo de tneis comeou h cerca de 150 anos,

simultaneamente com a industrializao. De 1857 a 1870 construiu-se o tnel de Monte

Cenis (tambm conhecido como Frjus) com 12200 m de comprimento. Trata-se de um

tnel ferrovirio atravs dos Alpes. A sua execuo teve por base a abertura a fogo

(plvora), de uma galeria piloto de 8.4 m2 . O engenheiro responsvel pela obra, Germain

Sommeiller, introduziu vrias tcnicas pioneiras. Entre estas contam-se as perfuradoras

sobre carris, os compressores de ar hidrulicos e as instalaes para os trabalhadores com

dormitrios, habitaes familiares, escola, hospital, edifcio recreativo e lojas de

reparaes. Como o tnel foi construdo a partir de duas frentes, as tcnicas de medio e

levantamento topogrfico tambm sofreram um significativo avano. O problema da

ventilao foi resolvido pela introduo de ventoinhas movidas a gua e de um diafragma

horizontal a meia altura formando uma conduta de exausto no topo do tnel. Seguiu-se o

tnel rodovirio de Gotthard (1872-82) com 14900 m. Neste tnel a plvora j tinha sido

substituda por dinamite.

O tnel de Ltschberg, na Sua, foi o local de um acidente de graves propores em 1908.

Quando uma das frentes passava sob o vale do Rio Kander, uma sbita entrada de gua,

gravilha e pedaos de rocha alagou o tnel, subterrando toda a equipa de 25 homens.

Apesar do relatrio geolgico ter previsto que o tnel atravessaria o macio rochoso,

bastante abaixo das camadas sedimentares do vale, investigaes subsequentes mostraram

que o macio rochoso se encontrava de facto a mais do dobro da profundidade prevista. O

tnel foi desviado cerca de 1.6 km para montante, passando a cruzar o vale em rocha s. A

necessidade de uma investigao geolgico geotcnica de qualidade saiu fortalecida deste

acidente.

A execuo de tneis subaquticos foi considerada impossvel at o escudo protector ter

sido desenvolvido em Inglaterra por Marc Brunel. A primeira vez que o escudo foi utilizado

foi em 1825, na construo do tnel pedonal sob o Rio Tamisa (Ver Figura 1. 1). O escudo

era empurrado para a frente medida que a escavao prosseguia, revestindo-se a zona j

escavada a tijolo (Ver Figura 1. 2). Este tnel foi inaugurado a 1843, tendo sido adaptado

em 1865 a tnel ferrovirio.

1-3


Figura 1. 1- Inaugurao do Tnel sob o Tamisa por Marc Brunel em 1843

(Ilustrao da Guidhall library em britannica.com)

Figura 1. 2- Tcnica tuneladora utilizada no tnel sob o Rio Tamisa

(Ilustrao de origem desconhecida em britannica.com)

Em 1847, Greathead modernizou a tcnica, introduzindo a mecanizao do escudo e

adicionando uma presso de ar comprimido no interior do tnel para contrabalanar a

presso exterior da gua.

A primeira grande aplicao da tcnica de escudo ar comprimido ocorreu em 1886 no

Metro de Londres, em que alcanou o record de cerca de 11 km de tnel sem um nico

acidente mortal.

O procedimento de Greathead foi usado com sucesso durante 75 anos sem mudanas

significativas: os mineiros trabalhavam em pequenas frentes individuais que podiam ser

1-4

CAPTULO 1

rapidamente fechadas em caso de entrada de gua, o escudo era empurrado por macacos,

os segmentos do revestimento permanente eram colocados sob a proteco da cauda do

escudo e todo o tnel era pressurizado para resistir presso da gua.

medida que a tcnica foi sendo desenvolvida, foi possvel adapt-la a tneis de maior

seco, apropriados para o trfego rodovirio. Os gases libertados pelos motores de

combusto interna criaram um novo problema. Este problema foi resolvido por Clifford

Holland, colocando ventoinhas de grande capacidade em edifcios de ventilao situados em

ambos os extremos, forando o ar atravs de uma conduta de fornecimento sob a estrada e

com uma conduta de exausto acima do tecto. Esta soluo passou a exigir seces

significativamente maiores, sendo necessrio um dimetro de cerca de 9 metros para um

tnel de duas faixas. O primeiro tnel rodovirio completou-se em 1927, sob o Rio Hudson,

no estado de Nova Iorque.

Desde 1950 a tcnica de Greathead tem sido preterida em favor do mtodo do tubo

imerso, segundo o qual longas seces de tubo so pr - fabricadas, rebocadas at ao local

e afundadas numa trincheira previamente dragada, ligadas s seces j colocadas e, por

ltimo, cobertas com aterro. Este processo, que apresenta como vantagens principais evitar

os altos custos e riscos associados aos trabalhos a alta presso, uma vez que dentro do

tubo se trabalha presso atmosfrica, foi usado pela primeira vez no tnel rodovirio sob

o Rio Detroit (1906-1910), que divide o Michigan (Estados Unidos) de Ontario (Canad).

A construo de tneis uma actividade tradicionalmente perigosa. Os mineiros e

construtores agarram-se s tradies mantendo-se fiis sua patrona Santa Brbara.

Normalmente existe uma estatueta da santa colocada num dos portais. O incio da dcada

de 60 foi particularmente frtil em roturas catastrficas, tais como o colapso de uma mina

em Coalbrook, frica do Sul, que causou a perda de 432 vidas. Talvez por isso tenha sido

uma dcada to importante para o desenvolvimento da geotecnia demonstrando, nas

palavras de Terzaghi, que we were over-stepping the limits of our ability to predict the

consequences of our actions (Terzaghi e Voight (1979)).

Independentemente do desenvolvimento das tcnicas de dimensionamento e construo, e

das proteces divinas, a execuo de tneis abranger sempre alguns riscos especficos,

no muito diferentes nem mais frequentes do que os trabalhos superficiais. Evitar estes

riscos do interesse de qualquer profissional de tneis, sendo indispensvel combater o

1-5


descuido e o no cumprimento das regras bsicas, no subestimar as situaes crticas que

podero ocorrer e nunca colocar as razes econmicas frente da segurana dos

trabalhadores.

laia de concluso apresentam-se, no Quadro 1. 1, os mais extensos tneis construdos no

mundo. (Britannica.com)

Quadro 1. 1- Os mais extensos tneis rodovirios e ferrovirios do mundo (britannica.com).

tnel localizao uso1 ano construo comprimento (km) Seikan Japo F 1988 53.9

Channel Tunnel Reino Unido Frana F 1994 50.0 Daishimizu Japo F 1982 22.2 Simplon II Itlia Sua F 1922 19.8 Simplon I Itlia Sua F 1906 19.8

Shin Kanmon Japo F 1975 18.7 Apennine Itlia F 1934 18.5

Saint Gotthard Sua R 1980 16.3 Rokko Japo F 1971 16.3

Henderson Estados Unidos F 1975 15.8 Haruna Japo F 1982 15.4 Furka Sua F 1981 15.3

Saint Gotthard Sua F 1882 15.0 Nakayama Japo F 1982 14.9

Ltschberg Sua F 1913 14.6 Mount MacDonald Canad F 1988 14.6

Tayao Shan China F 1988 14.3 Arlberg ustria R 1978 14.0 Hokuriku Japo F 1962 13.9

Mont Cenis Frana Itlia F 1871 13.7 Shin-Shimizu Japo F 1967 13.5

Aki Japo F 1973 13.0 Frjus Frana Itlia R 1980 12.9

Pinglin Highway Tailndia R 1999 12.9 Cascade Estados Unidos F 1929 12.5 Flathead Estados Unidos F 1970 12.5

Kita-Kyushu Japo F 1975 11.7 Mont Blanc Frana Itlia R 1965 11.7

1 F, ferrovirio; R, rodovirio

1-6

CAPTULO 1

1.2 Importncia dos Mtodos Numricos no Dimensionamento de Tneis

Actualmente tem vindo a vulgarizar-se a utilizao dos mtodos numricos no

dimensionamento de tneis superficiais.

De facto, os mtodos empricos, analticos e de equilbrio limite partem de pressupostos

simplificativos que quase nunca permitem definir correctamente o problema presente em

mos, por no terem sido desenvolvidos para aquela obra em particular, com as suas

caractersticas geomtricas, resistentes e construtivas.

Os mtodos numricos, por sua vez, permitem a considerao da geometria e faseamento

construtivo da seco, a modelao da estratigrafia do macio e da localizao do lenol

fretico, bem como a considerao de diversas leis constitutivas, em funo dos

parmetros caractersticos disponveis.

De entre todos os mtodos disponveis o mais utilizado tem sido o mtodo dos elementos

finitos.

Idealmente, uma vez que os estados de equilbrio que se geram na frente de escavao so

de natureza tridimensional, uma modelao realista do problema deveria envolver uma

formulao tambm tridimensional.

No entanto, essa formulao vem sempre acompanhada de enormes dificuldades ao nvel de

preparao dos dados e elevados custos computacionais.

Se se tiver em considerao que quando se constri um tnel suficientemente longo quer o

estado de tenso originalmente existente no macio quer o estado de equilbrio final podem

ser comparados a estados planos de tenso, compreende-se que a anlise de uma seco

suficientemente afastada da frente possa ser feita recorrendo a uma formulao em

estado plano de deformao.

Correntemente, a anlise estrutural de tneis feita com recurso a modelos de elementos

finitos 2-D, em que se empregam os critrios de rotura de Tresca, Drucker-Prager ou

Mohr-Coulomb.

De forma a comparar os resultados das anlises com as medies, torna-se necessrio

introduzir parmetros correctivos, determinados pela experincia, que permitem

contabilizar a natureza tridimensional do problema.

1-7


Almeida e Sousa (1998) descreve na sua tese de doutoramento trs tipos de modelos

bidimensionais que podem ser empregues no dimensionamento e previso de comportamento

de tneis:

1. Modelo axissimtrico

Utiliza-se para tneis profundos, sujeitos a um estado de tenso inicial isotrpico e

uniforme, de seco circular. Uma vez que a presena e posicionamento da superfcie

livre no pode ser considerada, a utilizao do modelo axissimtrico em tneis

superficiais no vivel.

2. Modelo longitudinal

Tal como o nome indica, corresponde anlise de uma seco vertical que contm o eixo

do tnel. Em termos de quantificao dos efeitos associados escavao do tnel, o seu

interesse reduzido uma vez que fornece valores demasiado conservativos, por

modelar a seco como um rectngulo de largura infinita. A vantagem do mtodo

prende-se com a avaliao da estabilidade da frente de escavao e dos efeitos, em

termos de deslocamentos e redistribuio de tenses, devidos ao avano da frente.

3. Modelo transversal

Trata-se do modelo mais utilizado, fazendo a anlise em estado de deformao plano de

uma seco transversal perpendicular ao eixo do tnel. Em seces suficientemente

afastadas da frente, em obras de seco constante e caractersticas geomtricas e

resistentes do macio tambm constantes, fornece uma aproximao razovel para a

anlise dos deslocamentos e das tenses.

A grande dificuldade consiste na determinao do momento de colocao do suporte, i.e., na

parcela de deformao que ocorre antes do suporte passar a receber as cargas do macio.

Em rigor, esta parcela de alvio s pode ser determinada por recurso a anlises

tridimensionais, simulando exactamente o faseamento da escavao e da colocao do

suporte. No entanto, graas a alguns artifcios de clculo, possvel ultrapassar em parte

esta exigncia, pelo menos para os tneis mais correntes.

Uma das metodologias possveis, consiste em modelar a escavao como uma abertura no

revestida. Na fase inicial, aplica-se s paredes internas da escavao uma presso de

1-8

CAPTULO 1

suporte inicial fictcia, equivalente ao estado de tenso inicial existente in situ. O avano

da frente simulado pela reduo sucessiva desta presso fictcia. At colocao do

suporte primrio a presso fictcia reduziu-se de uma parcela , tendo havido uma convergncia do macio para o interior da cavidade. Quando finalmente se instala o

suporte, anula-se a presso interna. Este esquema pode ser adaptado aos casos de

escavao em seco parcial, considerando-se uma parcela de reduo em cada uma das

fases em que ocorra escavao e anulando a presso interna nas fases de colocao de

suporte.

A principal dificuldade do mtodo consiste na determinao dos factores de alvio das

tenses.

Uma possibilidade a sua determinao com base no comportamento observado do tnel. A

medio dos deslocamentos durante a fase inicial da construo pode ser usada para

calibrar as anlises e ajustar os factores de alvio.

Admitindo uma relao linear por exemplo entre o assentamento mximo superfcie e o

alvio das tenses, o factor poderia ser determinado. Se por exemplo antes da colocao do suporte primrio se tiver um assentamento de 10 mm, o qual estabiliza em 25 mm aps o

revestimento, o factor de alvio seria 10/25 ou seja 40%. Este valor poderia ser utilizado

no clculo das seces posteriores. No entanto, esta abordagem no exacta, uma vez que

os efeitos tridimensionais da frente de escavao so responsveis por uma resposta no

linear, mesmo em macios com comportamento elstico linear. Poder-se-ia ento tomar o

valor de assim calculado como base e calibr-lo a partir da medio dos deslocamentos durante a fase inicial de construo, i.e., uma vez que os programas de clculo se encontram

cada vez mais desenvolvidos permitindo efectuar um grande nmero de anlises num curto

espao de tempo, possvel variar o parmetro at se obter uma boa correspondncia entre os valores medidos e calculados.

Na maior parte das vezes, a determinao do faz-se com base na experincia do projectista e na observao de obras j realizadas. Sabendo-se mais ou menos dentro que

gama de valores o varia, toma-se o limite inferior do intervalo para dimensionar a estrutura de suporte, uma vez que este valor se traduz numa sobrestimao dos

carregamentos e esforos mobilizados no revestimento, e o limite superior para obter os

assentamentos superfcie e potenciais danos associados em estruturas e infra-estruturas

existentes.

1-9


1.3 Objectivo da Tese

Neste trabalho pretende-se analisar um tnel rodovirio j construdo (Tnel 4 do Porto).

Analisou-se apenas a fase final de escavao, para a qual se pode considerar que os

deslocamentos estabilizaram o suficiente para se adoptar uma anlise em estado plano de

tenso e deformao. Adoptou-se um modelo transversal e o critrio de rotura de Mohr-

Coulomb. Os deslocamentos medidos durante a monitorizao e observao da obra foram

comparados com os valores que iam sendo obtidos nos diversos clculos realizados, o que

permitiu estimar os factores de alvio de tenses.

Pretendeu-se acima de tudo testar a possibilidade de modelar adequadamente o

comportamento de um tnel com recurso a um programa bidimensional de elementos finitos.

Nos primeiros 4 (quatro) captulos descrevem-se alguns aspectos ligados ao

desenvolvimento histrico dos tneis, s tcnicas construtivas e de monitorizao

usualmente utilizadas, ao seu comportamento e deslocamentos associados.

No captulo 5 (cinco) efectuam-se estudos paramtricos que permitem desenvolver alguma

sensibilidade em relao resposta dos macios perante a execuo de uma escavao

subterrnea bem como em relao ao prprio programa utilizado.

No captulo 6 (seis) descreve-se a obra em estudo, conjuntamente com o plano de

instrumentao e monitorizao.

Nos captulos finais descrevem-se os clculos efectuados e discutem-se os resultados

obtidos.

1-10

2. ALGUNS ASPECTOS DO COMPORTAMENTO DE TNEIS

2.1 Interaco Macio-Suporte

A escavao de um tnel provoca a alterao do estado de equilbrio de tenses a que o

macio se encontrava previamente submetido, por remoo de parte das tenses instaladas

na sua superfcie. O campo de tenses altera-se, originando a convergncia das paredes do

tnel e o movimento da frente de escavao para o interior do tnel.

Embora alguns macios de muito boa qualidade possam ser autoportantes, i.e., sejam

capazes de evoluir para um novo estado de equilbrio, com deformaes limitadas, sem

necessidade de introduo de uma estrutura de suporte, na maioria dos macios

fundamental limitar a grandeza dos deslocamentos originados pela escavao.

Com esse fim introduz-se, o mais perto possvel da frente, uma estrutura de suporte que se

vai deformar em conjunto com o macio, permitindo a limitao do valor dos deslocamentos.

Os deslocamentos induzidos no macio pela obra e as presses exercidas sobre o suporte

passam ento a estar relacionados. A sua determinao exige a realizao de anlises

tridimensionais que permitam a modelao do processo de faseamento construtivo.

Uma vez que o equilbrio final atingido num estado de deformao plana, e dadas as

dificuldades inerentes aos clculos tridimensionais, tornou-se corrente abordar a

interaco entre o macio e o suporte por meio de formulaes planas.

Das vrias metodologias propostas, a mais utilizada consiste em substituir a aco

estabilizadora do ncleo situado adiante da frente, por uma presso de suporte fictcia.

Esta aplicada sobre a parede e varia com a distncia frente de tal forma que os

deslocamentos sejam idnticos aos que se obteriam com um equilbrio tridimensional.

As curvas de reaco do macio, introduzidas por Pacher em 1964, que se designam por

curvas caractersticas ou de convergncia, e relacionam as presses aplicadas na parede

com os deslocamentos so contnuas e variam gradualmente.

Na Figura 2. 1 esto representadas trs curvas de convergncia que dizem respeito a um

ponto no tecto do tnel. A curva I corresponde a um material com comportamento elstico

linear at libertao total das tenses. Se o deslocamento 1f for admissvel, no h necessidade de colocao de uma estrutura de suporte . As curvas II e III correspondem a

ALGUNS ASPECTOS DO COMPORTAMENTO DE TNEIS

macios com comportamento no linear, elasto-plstico. So constitudas por um troo

inicial rectilneo, correspondente fase de resposta linear, e em seguida entram num troo

no linear associado s plastificaes induzidas. A curva II diz respeito a um macio

autoportante, sendo possvel prescindir da colocao de suporte se o deslocamento 2f ainda for compatvel com a obra. A curva III corresponde a um macio que j no

autoportante pelo que a colocao de um suporte se torna indispensvel. Para evitar a

desarticulao do macio pela formao de um mecanismo de rotura, e o consequente

desaparecimento do efeito de arco, o suporte deve estar instalado e activo antes de se

atingir o ponto mais baixo da curva. Esta desarticulao aumentaria a carga no suporte

muitas vezes para alm dos limites economicamente aceitveis.

Figura 2. 1- Curvas caractersticas para um ponto no tecto do tnel (Almeida e Sousa, 1998)

Aps a instalao da estrutura de suporte, passa-se a estar perante um problema de

interaco solo-estrutura. Torna-se ento necessrio a definio de modelos de

comportamento estrutural do suporte e de uma maneira de considerar a parcela dos

deslocamentos que ocorre antes da sua colocao. Para tal assume-se, tal como se fez

anteriormente na converso do equilbrio tridimensional num estado de equilbrio plano, que

uma parcela das tenses iniciais libertada antes da colocao do suporte.

Define-se ento a curva caracterstica do suporte, tal como se fez para o macio, a qual

relaciona a presso aplicada no suporte com a deformao produzida. Estas curvas so a

base do mtodo de convergncia-confinamento (Figura 2. 2).

2-2

CAPTULO 2

Este mtodo, dadas as hipteses simplificativas que lhe so inerentes, apenas aplicvel a

tneis profundos e axissimtricos. Como se pode observar na Figura 2. 2, o carregamento

do suporte inicia-se quando j ocorreu um alvio das tenses inicialmente instaladas de (P0-

P1) e um deslocamento 1. O suporte comea ento a deformar-se at que se atinge o equilbrio, na interseco das duas curvas de confinamento. Pode-se ainda constatar por

observao da figura que quanto mais perto o suporte for colocado, maior ser a presso a

que fica submetido e menor o deslocamento final. Por outro lado , para o mesmo atraso na

colocao do suporte, quanto mais rgido este for, maior ser tambm a presso e menor o

deslocamento.

Figura 2. 2- Mtodo de convergncia-confinamento (Almeida e Sousa, 1998)

2-3


2.2 Efeitos Tridimensionais na Proximidade da Frente de Escavao

As deformaes que ocorrem associadas escavao de um tnel provocam a redistribuio

das tenses para as zonas no escavadas ou j suportadas , o chamado efeito de arco, que

se representa na Figura 2. 3. Este efeito de arco de natureza tridimensional. Ocorre na

seco transversal e tambm nas seces longitudinais , vertical e horizontal. Na primeira

ocorre entre zonas escavadas e no escavadas, enquanto que nas duas ltimas tem lugar

entre zonas escavadas no suportadas e zonas escavadas j suportadas.

Figura 2. 3- Efeito de arco nas proximidades da frente de escavao de um tnel revestido (Eisenstein et al.,1984)

A Figura 2. 4 ilustra a evoluo dos deslocamentos com o avano da frente de escavao.

A sua anlise evidencia que a influncia da execuo do tnel se comea a fazer sentir

adiante da frente de escavao.

Inicialmente a componente longitudinal dos deslocamentos a mais marcante, atingindo o

seu mximo aquando da passagem da frente, diminuindo em seguida at se anular

completamente. Os deslocamentos radiais crescem at atingirem o equilbrio, mantendo-se

ento constantes. A sua taxa de variao mxima aquando da passagem da frente.

Pode-se ento concluir que a escavao de um tnel origina nas proximidades da frente

uma zona do macio onde o estado de deformao de natureza tridimensional, sendo, no

entanto, o equilbrio ps-escavao atingido numa zona onde a influncia da frente j no se

faz sentir e em condies muito prximas de um estado plano de deformao (Almeida e

Sousa, 1998).

2-4

CAPTULO 2

Figura 2. 4- Deslocamentos num plano longitudinal vertical (Almeida e Sousa, 1998)

O desenvolvimento da zona de influncia da frente determinado pelas caractersticas

resistentes do macio em que se insere a obra e pela distncia frente a que o

revestimento colocado. Verifica-se que quanto menor for a resistncia do macio e

quanto maior for o atraso na colocao do suporte, maior o desenvolvimento longitudinal

da zona de influncia da frente.

Almeida e Sousa (1998) refere que quando h lugar colocao de um suporte ... a

condio de deformao plana atingida a uma distncia do ponto de instalao do suporte

no maior do que um dimetro..

2.3 Curvas de Reaco Macio-Suporte

Considerando que o avano da frente de escavao naturalmente tridimensional e

complexo, tm sido propostos mtodos alternativos que permitem modelar o avano da

frente e explicar a interaco do suporte com o macio envolvente. Dentro desses

mtodos, cita-se as curvas de reaco macio suporte definidas conceptualmente por

Eisenstein et al. (1984).

2-5


Estas curvas relacionam, para cada ponto do permetro do tnel, a presso e o

deslocamento radial da parede.

Quando se trata de um tnel profundo, inserido num macio homogneo e isotrpico,

sujeito a um campo de tenses hidrosttico e uniforme, as curvas de reaco so iguais

para todos os pontos da periferia do tnel.

Se o tnel for superficial, a variao da tenso vertical na zona adjacente obra deixa de

ser desprezvel, pelo que a hiptese de campo de tenses uniforme j no vlida, o que se

traduz em curvas de reaco diferentes para pontos diferentes.

Com base em observaes de vrias obras e na realizao de algumas anlises numricas,

Eisenstein et al. (1984) propuseram a seguinte distribuio dos deslocamentos e das

tenses verticais ao longo do tecto do tnel (Figura 2. 5):

Figura 2. 5- Distribuio das tenses e dos deslocamentos verticais no tecto do tnel (Eisenstein et al.,1984)

De acordo com a figura, o estado de tenso de repouso de um ponto no tecto do tnel

(Ponto A), vai sofrer uma srie de alteraes medida que a frente de escavao avana,

voltado a atingir um estado de equilbrio a determinada distncia da frente de escavao

(Ponto F).

No Ponto B, em consequncia do efeito de arco, d-se um aumento da tenso vertical, ao

qual se segue um decrscimo, at que a tenso vertical se anula no Ponto C. Desde que o

mtodo de escavao no inclua a aplicao de uma presso interna, as tenses verticais vo

permanecer nulas durante toda a zona no revestida do tnel, i.e., at ao Ponto D. Depois de

o suporte estar instalado, novamente devido ao efeito de arco longitudinal, ocorre novo

aumento das presses actuantes, as quais podem inclusivamente ser superiores (Ponto E) s

presses finais de equilbrio (Ponto F).

2-6

CAPTULO 2

Em relao aos deslocamentos verticais, comeam por crescer lentamente, sofrem um

rpido aumento perto da frente e voltam a crescer lentamente at estabilizarem, j dentro

da zona revestida.

A curva de reaco da estrutura composta macio-suporte estabelecida com base nas

distribuies de tenses e deslocamentos. Na Figura 2. 6 representa-se a curva de reaco

para um ponto no tecto do tnel.

Figura 2. 6- Curva de reaco macio-suporte para um ponto situado no tecto do tnel (Eisenstein et al, 1984)

A zona da curva compreendida entre os pontos A e C corresponde resposta do macio

enquanto que a zona entre os pontos D e F controlada fundamentalmente pela rigidez do

suporte embora traduza tambm a interaco do suporte com o macio.

Almeida e Sousa (1998) analisou, no mbito da sua tese de doutoramento, a construo de

um tnel superficial de seco circular com dimetro e recobrimento de 10 m, tendo

chegado a algumas concluses de bastante interesse em relao s curvas de reaco que

se referem nos pontos seguintes:

1. Apenas ocorrem concentraes de tenses no incio do troo suportado quando os

suportes so muito rgidos e instalados muito perto da frente;

2-7


2. O s gradientes de tenses e deslocamentos gerados pelo avano da frente de escavao

so diferentes, sendo o primeiro mais acentuado. Esta diferena de gradientes resulta

na no linearidade das curvas de reaco, mesmo quando se est em presena de um

macio com comportamento elstico linear;

3. O atraso de colocao do suporte no produz alteraes significativas adiante da

frente, nem na distribuio das tenses, nem nos deslocamentos radiais;

4. Atrs da frente, as distribuies dos deslocamentos e das tenses so j largamente

condicionados pelo atraso na colocao e pela rigidez relativa do suporte.

2-8

3. MTODOS CONSTRUTIVOS DE TNEIS SUPERFICIAIS

3.1 Construo com Escudos

Designam-se por tcnicas de construo com escudos, todas as tcnicas em que se utiliza

um escudo perfurador que evita o colapso da escavao at que seja colocado o suporte

definitivo. Por escudo entende-se um cilindro metlico, cujos bordos so cortantes, o qual

inserido no macio presso, por intermdio de macacos hidrulicos que ganham reaco

nos anis de revestimento j colocados. corrente a utilizao de aduelas pr fabricadas

em beto, as quais encaixam umas nas outras formando anis fechados de revestimento.

Figura 3. 1- Execuo, com recurso a uma tuneladora, de um tnel atravs dos Alpes Italianos (ligao Inglaterra ndia). A obra, iniciada a 1860 nunca

foi concluda.

Mquinas de escudo tornam-se economicamente viveis apenas para grandes extenses de

tnel, tendo sido sugerido por Fukuchi (1991) um comprimento limite inferior de 1000 m.

Trs outras grandes limitaes costumam ser associadas a este mtodo.

A primeira relaciona-se com a dificuldade de assegurar a impermeabilizao do tnel. Esta

limitao tem vindo a ser ultrapassada pela selagem apropriada das juntas entre os

diversos elementos constituintes do revestimento. Em obras em que a estanqueidade uma

exigncia fundamental constroi-se um segundo revestimento, isolado do primeiro por

membranas impermeveis.

MTODOS CONSTRUTIVOS DE TNEIS SUPERFICIAIS

A segunda limitao prende-se com a possibilidade de ocorrncia de grandes bacias de

subsidncia, em particular para tneis superficiais. De facto, uma vez que existe uma

diferena entre o dimetro da escavao e o dimetro exterior do revestimento, diferena

essa originada pela espessura da cauda do escudo e pela folga necessria entre esta e os

anis por forma a facilitar a colocao e permitir correces de alinhamento, medida que

o escudo avana gera-se um vazio de cerca de 50 mm. Correntemente, enche-se este vazio

recorrendo-se a injeces de calda de cimento, o que permite ultrapassar tambm esta

deficincia inerente ao mtodo.

A terceira deficincia, consiste na grande especializao do processo, lidando mal com

alteraes de seco e mudana de condies geotcnicas.

A sua grande vantagem, para alm dos elevados nveis de segurana envolvidos, a

possibilidade de colocao do revestimento imediatamente aps a escavao.

Existem dois tipos de mquinas de escudo, os escudos abertos, que devem ser utilizados

quando a frente de escavao no necessita de ser suportada, e os escudos com

confinamento, apropriados para as situaes em que ocorre afluxo de gua ou instabilidade

da frente. O segundo tipo engloba vrias categorias, conforme o tipo de confinamento

adoptado. No que se segue faz-se uma breve descrio dos tipos de mquina existentes.

3.1.1 Escudos Abertos

So utilizados em solos coerentes, em rochas brandas, em geral em situaes em que no

ocorre afluxo de gua. Em macios heterogneos, com aparecimento de blocos de grandes

dimenses, a sua utilizao recomendada, por facilitar a remoo dos blocos.

Caracterizam-se pelo recurso a processos de escavao manual ou por meio de escavadoras

mecnicas que desprendem o solo da face, e o colocam num circuito de remoo de

escombros (ver Figura 3. 2).

3-2

CAPTULO 3

Figura 3. 2- Escudo de frente aberta (Whittaker Frith,1990 em Almeida e Sousa,1998)

Modernamente, as tuneladoras possuem na face da frente uma cabea circular de corte

rotativa A sua rotao, acompanhada dos impulsos dos macacos, desprende o solo, fazendo-

o entrar para o interior do escudo. Como os trabalhos ainda se processam presso

atmosfrica, estas tuneladoras englobam-se na categoria dos escudos abertos.

3.1.2 Escudos Confinados

3.1.2.1 Escudos com confinamento a ar comprimido

Resultam da associao entre os escudos de frente aberta e ar sob presso. A utilizao do

ar comprimido traduz-se numa dupla vantagem. Alm de produzir uma presso uniforme na

frente, equilibrando a presso do macio e do afluxo de gua, melhora as caractersticas

resistentes do macio pela reduo do teor em gua.

Desde os anos 70, esta tcnica tem vindo a ser abandonada. Este abandono resulta de

problemas tcnicos e econmicos. Em primeiro lugar vm as perdas de ar, pelo que o

processo s aplicvel a solos finos, muito pouco permeveis. O segundo aspecto tem a ver

com o facto da presso ser uniforme, enquanto que a presso do terreno aumenta com a

profundidade. Finalmente vem o aspecto econmico, o qual tem sido decisivo no abandono da

tcnica. A utilizao do ar comprimido faz os custos de construo dispararem, em parte

3-3


pela necessidade de um compressor e de equipamento adicional para actuar no caso de uma

perda de presso. Por outro lado, a progresso dos trabalhadores e do material atravs das

vlvulas atrasa tambm o processo construtivo. O factor dominante, no entanto, a grande

reduo do horrio efectivo de trabalho causada pelo tempo necessrio para

descompresso dos trabalhadores. Os regulamentos impem que, perto do mximo usual de

3 atm., se tenha uma hora de trabalho e seis de descompresso. Se se tomar em

considerao, que por se tratar de uma ocupao de alto risco, os salrios tambm so

muito superiores, os custos associados a este mtodo tornam-se praticamente

incomportveis.

3.1.2.2 Escudos com confinamento mecnico

Em solos muito moles, possvel utilizar um escudo munido de uma placa com uma pequena

abertura atravs da qual o solo entra para dentro do escudo, sendo posteriormente

removido. A sua utilizao praticamente caiu em desuso , por terem o seu campo de

aplicao limitado a solo de resistncia no drenada cu inferior a cerca de 20 kPa.

3.1.2.3 Slurry Shields escudos com confinamento lquido

Utiliza-se, para contrabalanar a presso das terras, um fluido estabilizador da frente.

Figura 3. 3- Esquema de um escudo com confinamento lquido

(R. J. Mair e R. N. Taylor, 1997)

3-4

CAPTULO 3

O fludo em causa constitudo por gua qual se adicionam aditivos, os quais so funo

da permeabilidade e da granulometria do solo. Em solos grossos e limpos frequente o uso

de bentonite. O fluido, que colocado sob presso numa cmara selada imediatamente

atrs da cabea cortante, infiltra-se na face escavada, formando uma pelcula (cake). O

cake diminui localmente a permeabilidade do terreno e aumenta-lhe a resistncia,

permitindo que seja escavado em condies seguras. O fludo circula desde uma estao de

tratamento de lamas, at frente, regressando estao de tratamento atravs de um

circuito independente, trazendo o material resultante da escavao (ver Figura 3. 3).

Separa-se o material escavado, purifica-se o fludo e reenvia-se para a frente. A estao

de tratamento de lamas o factor limitativo deste mtodo.

3.1.2.4 EPB Shields escudos com confinamento por contra-presso de

terras

Utilizando o prprio solo escavado como elemento estabilizador da frente, a sua aplicao

tem-se estendido a diversos tipos de solo (Steiner, 1996).

Figura 3. 4- Pormenor da cabea cortante de uma tuneladora EPB

3-5


Nestas tuneladoras, o fluido estabilizador composto pelo material escavado,

eventualmente misturado com um aditivo fluidificante (lama densa) que garanta a

impermeabilizao da frente de escavao. O material escavado colocado sob presso na

cmara imediatamente atrs da cabea cortante. Os macacos hidrulicos empurram a

tuneladora contra a frente de escavao e a rotao da cabea cortante desmonta o solo

fazendo-o entrar na cmara. O material escavado removido por um sem-fim entubado,

sendo a velocidade de rotao deste que regula a presso de suporte ao regular o volume

de escombros extrado (ver Figura 3. 5).

Figura 3. 5- Esquema de um escudo EPB (R. J. Mair e R. N. Taylor, 1997)

3.2 Construo Sequencial NATM

A fama das tcnicas de construo de tneis Austracas estabeleceu-se quando o tnel

rodovirio de Arlberg com 10250 m de comprimento foi construdo muito rapidamente

(1880 a 1884).

O desenvolvimento do mtodo NATM (New Austrian Tunnelling Method) constitui um marco

no desenvolvimento da histria dos tneis, cujas primeiras aplicaes (entre 1971 e 1974)

foram o tnel de Massenberg, o tnel rodovirio Tauern com 6400 m e o tnel rodovirio de

Katschberg com 5500 m.

Neste mtodo englobam-se todos os mtodos em que o avano do tnel sequencial

(escavao e revestimento), estando a frente sempre submetida presso atmosfrica.

O famoso NATM New Austrian Tunnelling Method permite a execuo de praticamente

qualquer tipo de tnel, com qualquer seco, dependendo apenas da capacidade portante do

3-6

CAPTULO 3

macio. Comparado com outros mtodos apresenta a grande vantagem da sua flexibilidade,

permitindo variaes de seco, interseces e alteraes de horizonte geotcnico. A sua

flexibilidade advm da possibilidade de utilizar diferentes medidas de suporte, permitindo

um ajuste passo a passo. Apresenta ainda vantagens na execuo de configuraes

geomtricas complicadas e seces de grandes dimenses.

O NATM foi desenvolvido a partir da experincia acumulada com os mtodos antigos. De

1956 a 1958 Rabcewicz construiu na Venezuela os primeiros tneis de grande porte

segundo os princpios do NATM. Em 1963 o mtodo foi apresentado num Colquio

Geomecnico em Salzburgo. Chamou-se NOVO por j existir um mtodo Austraco

tradicional, e AUSTRIACO por ter sido desenvolvido por engenheiros austracos. O mtodo

tradicional recorria a suportes extremamente rgidos em madeira e revestimentos

espessos em alvenaria ou beto. A grande inovao consistiu na utilizao de uma fina

camada de beto projectado, a qual permitia deslocamentos suficientes para mobilizar a

capacidade resistente do prprio macio. Nas palavras de Rabcewicz as vantagens deste

mtodo podem ser demonstradas comparando a mecnica de tneis revestidos pelo novo

mtodo e por outros mais antigos. Enquanto que os mtodos antigos de suporte provisrio

esto destinados, sem excepo, a causar desagregao do macio e zonas de vazios devido

cedncia de diferentes partes da estrutura de suporte, uma fina camada de beto

projectado aplicada na face rochosa imediatamente aps o rebentamento, conjuntamente

com um sistema adequado de pregagens, previne totalmente a desagregao e reduz a

descompresso at um certo grau, t ansformando a rocha circundante num arco auto-r

portante. (Hans Georg, Jodl 1995)

A seguinte definio, juntamente com os princpios do NATM, foram publicados em 1980.

O Novo Mtodo Austr aco de Execuo de Tne s (NATM) constitui um mtodo em que o i

macio em que o tnel se insere forma parte integrante de um anel de suporte global.

Portanto o macio ele prprio parte da estrutura de suporte.

Com a escavao do tnel, o estado de tenso altera-se, processando-se uma srie de

rearranjos de tenses. As zonas em volta do tnel em que estes ocorrem, includo tanto as

de comportamento elstico como as de comportamento plstico, constituem o arco

rochoso que faz parte da estrutura global de suporte. Ao completar-se a soleira, forma-se

uma estrutura em anel, com as propriedades estticas de um tubo.

3-7


De forma a manter a capacidade portante do macio, necessrio:

1. manuteno da resistncia do macio:

evitar a descompresso atravs de uma escavao cuidada e aplicao imediata de

medidas de suporte ou reforo. A aplicao de beto projectado e pregos prximo da

frente de escavao permite manter a integridade do macio.

2. utilizao de seces arredondadas:

evita concentraes de tenses nos cantos o que poderia iniciar mecanismos de rotura

progressiva.

3. utilizao de revestimentos flexveis:

os revestimentos primrios devero ser flexveis por forma a minimizar os momentos

flectores e facilitar o rearranjo das tenses. Se forem necessrias medidas adicionais

de suporte estas devem ser garantidas por pregagens e no pelo aumento da espessura

do revestimento.

4. medies in situ:

A monitorizao do comportamento do tnel durante a fase de construo parte

integrante do mtodo, permitindo optimizar faseamentos construtivos e medidas de

suporte.

Apesar do que foi dito no ponto 3., o revestimento final deve ser dimensionado por forma a

suportar o enfraquecimento a longo termo do macio ou mesmo a sua rotura, bem como

modificaes posteriores do meio envolvente (variaes do nvel fretico, construo de

edifcios, execuo de obras subterrneas na vizinhana, etc.)

O princpio bsico do NATM centra-se no controlo das deformaes por forma a garantir

os nveis de segurana exigidos.

O mtodo NATM joga com os deslocamentos da seguinte maneira:

1. Por um lado tenta manter a deformao suficientemente pequena por forma a que o

estado de tenso inicial e a resistncia da rocha no se degradem mais do que o

inevitvel;

2. Por outro lado, esta deformao desejvel, para que o prprio macio actue como uma

estrutura de suporte em anel, minimizando os custos de suporte.

3-8

CAPTULO 3

O momento ptimo de colocao do suporte coincide com o ponto em que a presso que este

deve garantir atinge o mnimo. Para determinar este momento, necessria uma

monitorizao contnua dos deslocamentos e tenses do macio e dos elementos de suporte.

O mtodo, embora desenvolvido inicialmente para aplicao em macios rochosos

submetidos a elevadas tenses, tem sido utilizado desde os anos 70 na execuo de tneis

em solos e rochas brandas com recurso a processos de escavao faseados, como o que se

exemplifica na Figura 3. 6.

Figura 3. 6- Exemplo de um processo de uma escavao faseada

(R. J. Mair e R. N. Taylor, 1997)

Deve-se ter em ateno que quanto maior for a rea da seco transversal da tnel e

quanto menos resistente e mais deformvel for o solo, maior deve ser o nmero de fases de

escavao. Em presena de gua ou condies geolgicas muito variveis, a construo de

tneis piloto como parte integrante do faseamento construtivo permite a drenagem do

macio e averiguar antecipadamente as suas caractersticas resistentes.

No entanto, no se deve optar pela diviso excessiva da frente. De facto, tal acarretaria,

para alm da bvia diminuio da velocidade de avano, o sempre indesejvel aumento da

juntas no suporte e o aumento do atraso com que o anel da estrutura de suporte fechado

na soleira. Para combater este ltimo efeito, muitas vezes executa-se um arco invertido

provisrio imediatamente aps a escavao da abbada.

portanto, sempre que possvel, prefervel proceder escavao em seco plena,

deixando um ncleo central que, no impedindo a colocao imediata do revestimento,

funciona como apoio frente de escavao.

3-9


Outro factor importante, na aplicao do mtodo a solos e rochas brandas, consiste na

definio do avano da frente de escavao, o qual funo, entre outros factores, da

resistncia do macio e da geometria do processo construtivo.

3.2.1 Medidas de suporte correntemente utilizadas

3.2.1.1 Beto projectado

Rabcewicz (1969) foi o principal responsvel pela introduo da tecnologia do beto

projectado no suporte de tneis nos anos 30.

Apresentando uma elevada resistncia inicial, permite uma rpida aplicao, a qual

essencial para a imediata conteno do macio aps a escavao. Por outro lado adapta-se

bem a seces de qualquer forma, permitindo a ligao ao macio em todo o contorno da

superfcie escavada normalmente irregular, garantindo portanto que o macio e o suporte

se deformam conjuntamente.

Mesmo assumindo para a camada de beto projectado uma resistncia ao corte

relativamente modesta de 2 MPa, podem mobilizar-se foras resistentes muito elevadas.

Com efeito, uma camada de beto projectado de 10 cm de espessura consegue estabilizar

um bloco de 1.0 m2 de face exposta pesando at 80 toneladas:

Wmx = T x espessura da camada x permetro exposto

= 2x103 kPa x 0.10 m x 4.0 m

= 800 kN

= 80 toneladas

O beto projectado consiste numa mistura de agregados de granulometria uniforme,

cimento, gua e aceleradores de presa, que projectada e compactada dinamicamente sob

grande velocidade. A sua projeco pode ser feita por via seca ou hmida. Na primeira, a

mistura seca conduzida, por ar comprimido, ao longo de uma mangueira de plstico, sendo

a gua de hidratao misturada sada do bico ejector da mangueira. Na via hmida, a

mistura j contm gua, vindo pronta a ser aplicada. O produto final muito semelhante (

3-10

CAPTULO 3

nos EUA, por exemplo, exige-se que a resistncia compresso aos 7 dias seja de 30 MPa

para a mistura seca e de 25 MPa para a hmida; a resistncia flexo aos 7 dias de 4

MPa para ambas), embora a mistura seca tenha sido tradicionalmente mais usada por

utilizar equipamentos menores e mais compactos.

A tendncia actual aponta para a predominncia da via hmida. De facto, esta via permite,

por um lado, uma reduo significativa das poeiras, o que se traduz numa melhoria

aprecivel das condies de trabalho. Por outro lado, a qualidade do beto pode ser

melhorada pelo emprego de adjuvantes lquidos. Estes permitiro a obteno de camadas

mais espessas e uniformes, uma melhor adeso superfcie escavada e uma maior

resistncia compresso. Torna ainda possvel um maior controlo das dosagens,

particularmente do teor em gua, permitindo uma qualidade mais homognea, uma menor

disperso dos valores da resistncia ao longo da camada e uma menor perda de material por

ressalto.

A rea de trabalho normalmente pulverizada com um jacto de gua para remover pedras

soltas e poeiras da superfcie a projectar. A rocha hmida constitui uma superfcie ideal

para a ligao camada inicial de beto projectado.

O manobrador normalmente comea por baixo, movimentando a mangueira em pequenos

crculos em direco ao coroamento. As distncias ideais de projeco esto entre 1 e 0.5

m. Uma distncia superior resultar em menores velocidades, o que acarreta um menor grau

de compactao e uma maior percentagem de ressalto.

A resistncia traco do beto projectado pode ser melhorada pelo emprego de redes de

malhasol. Estas tm no entanto vindo a ser substitudas, devido dificuldade que tm de

adaptao a superfcies irregulares e ao elevado tempo de colocao, pela incluso de

fibras metlicas na composio do beto projectado.

O beto reforado com fibras foi introduzindo nos anos 70. A sua utilizao permite

aumentos considerveis da ductilidade e da resistncia flexo do beto projectado.

No beto de fibras prtica corrente a utilizao de filamentos cilndricos em ao de 20 a

40 mm de comprimento e aproximadamente 0.5 mm de dimetro. A espessura de uma nica

aplicao tipicamente da ordem de 40 a 80 mm e a espessura total anda volta de 100 a

200 mm.

O beto reforado com malha ainda largamente utilizado, sendo mesmo preferido para

algumas aplicaes, nomeadamente em macios muito soltos, de fraca qualidade, em que a

aderncia do beto projectado superfcie rochosa baixa.

3-11


Tipicamente a rede feita com arame de 4 mm soldado numa malha de 100 mm x 100 mm.

Esta malha suficientemente forte para a maioria das aplicaes sendo bastante leve para

ser manuseada por um nico homem.

Outro desenvolvimento importante que a tecnologia do beto projectado sofreu nos ltimos

anos foi a introduo da micro slica, usada como aglomerante. A micro slica, pozolana

extremamente fina, um sub - produto da indstria do ferro. As pozolanas so materiais

que reagem com o hidrxido de clcio produzido durante a hidratao do cimento. A micro

slica, adicionada em quantidades de 8 a 13 % do peso do cimento, permite ao beto

projectado alcanar resistncias compresso duplas ou triplas das misturas correntes,

resultando num beto extremamente forte, impermevel e durvel. Outros benefcios

incluem a reduo do ressalto, melhor resistncia flexo, melhor ligao com o macio

rochoso e a possibilidade de executar camadas at 200 mm numa s passagem. No entanto,

na mistura hmida, a trabalhabilidade do beto vem diminuda, havendo a necessidade de

adicionar super plastificantes.

Outro ponto fundamental na execuo dos revestimentos em beto projectado consiste em

assegurar a drenagem atravs da camada de beto de maneira a aliviar as presses da gua.

Normalmente utilizam-se, com este propsito, tubagens em plstico inseridas em orifcios

de drenagem. Quando o afluxo de gua constitui um fenmeno menos localizado , pode-se

colocar um geotxtil drenante antes da aplicao da camada de beto projectado.

essencial proceder a carotagens para verificar a densidade e resistncia do produto

acabado, a aderncia superfcie da rocha e entre as diversas camadas, bem como a

espessura total conseguida.

3.2.1.2 Cambotas metlicas e pregagens

Quando existe a necessidade de aumentar a resistncia do suporte em beto projectado

recorre-se utilizao de cambotas metlicas e pregagens.

As cambotas metlicas consistem em perfis laminados ou treliados. Estes ltimos so

usados mais frequentemente por serem mais fceis de emendar, terem menor peso prprio

do que o perfil de rigidez equivalente e ser possvel serem fabricados em obra. O

3-12

CAPTULO 3

espaamento longitudinal entre cambotas depende do comprimento dos avanos, podendo

ser colocados entre cambotas adjacentes elementos metlicos distanciadores que

conferem maior rigidez estrutura global de suporte.

As pregagens consistem em ancoragens passivas. Como tal devem ser colocadas antes da

ocorrncia de deslocamentos significativos, pois funcionam basicamente por atrito. So

frequentemente vares, cabos ou tubos em ao. Instalam-se a partir do interior da

escavao podendo ter um padro regular ou ser aplicadas pontualmente. No primeiro caso,

permitem reforar o macio em torno da escavao facilitando a redistribuio das tenses

e a formao do arco resistente, pelo aumento da resistncia do macio traco.

Quando so colocadas pontualmente, tm como objectivo a estabilizao de algum bloco ou

cunha potencialmente instvel.

A definio do comprimento das pregagens baseia-se na extenso da zona plastificada,

devendo aquelas estender-se 2 ou 3 metros alm desta. A estimativa da zona plastificada

pode ser feita com base numa anlise por elementos finitos da seco em estudo.

Em relao ao espaamento, a sua escolha baseia-se nas seguintes consideraes :

1. De acordo com Lang (1961), para assegurar que as pregagens interagem de maneira a

formar uma zona de macio uniformemente reforado, o espaamento S deve ser

inferior a metade do comprimento, S < L/2.

2. Para uma presso de suporte P e uma carga de servio no prego T, o espaamento numa

malha quadrada dado por S2 = T/P

Verifica-se que na maioria das aplicaes se utilizam pregagens de 5 m, com espaamentos

entre 1 e 3 m (malha quadrada).

Existem actualmente no mercado diversos tipos de pregagens, sendo a maioria ligada ao

macio por injeces de calda de cimento.

Um dos processo mais frequentes consiste na execuo de um furo no qual se introduz um

varo de ao nervurado ou uma trelia de cabos de ao, em funo da flexibilidade

pretendida, selando-se posteriormente o furo com uma calda de razo gua/cimento entre

0.30 e 0.35.

3-13


Alternativamente, a calda pode ser bombeada para dentro do furo pela insero de um tubo

at extremidade, o qual lentamente retirado medida que a calda bombeada. O varo

empurrado para o furo cerca de metade do seu comprimento. D-se-lhe uma ligeira dobra

e empurra-se o varo at ao fim. A dobra permite que o varo fique firmemente alojado no

furo enquanto a calda ganha presa. Aps a calda ter ganho presa, coloca-se uma chapa com

uma porca na extremidade do varo, apertando bem.

Em macios menos resistentes, pode-se colocar no furo um tubo de ao perfurado, cheio de

calda. Em seguida introduz-se um varo no tubo, fazendo a calda sair pelos orifcios e selar

o tubo.

Dentro da variantes das pregagens injectadas existem ainda as auto-perfurantes (IBO,

Titan, ...). So utilizados em macios mais fracos, nos quais o furo inicialmente executado

no se mantm estvel durante o tempo utilizado nas operaes de furao, enchimento e

insero dos vares. Usam-se ento vares em ao ocos e parcialmente perfurados, com

ponta roscada. A argamassa injectada no varo, saindo pelos orifcios e ligando o varo ao

macio envolvente.

Existe ainda um outro grupo, em que as pregagens no so injectadas e funcionam

exclusivamente por atrito. As do tipo Swellex, comercializadas pela Atlas Copco, consistem

num tubo em ao dobrado de forma a ficar com um dimetro varivel entre 25 e 28

milmetros. Este tubo introduzido num furo com 33 a 39 mm de dimetro. Posteriormente

injecta-se gua a alta presso, forando o tubo a expandir-se at se ajustar ao furo, de

forma a permitir que se mobilize o atrito ao longo do tubo(Figura 3. 7).

3-14

CAPTULO 3

Figura 3. 7- Pregagem tipo Swellex da Atlas Copco (Hoek et al., 1995)

Um outro tipo de pregagens, as ancoradas, normalmente consiste em vares de ao com uma

ancoragem mecnica num dos extremos e uma placa e uma porca no outro. So sempre

traccionadas aps a instalao. Para aplicaes permanentes ou na presena de guas

subterrneas corrosivas, o espao entre o varo e a rocha pode ser preenchido com calda

de cimento ou resinas.

A traco destas pregagens permite assegurar que todos os componentes esto em

contacto e que est a ser aplicada uma fora positiva ao macio. No caso das pregagens de

segurana, o valor da traco aplicada no importante, sendo suficiente dar um bom

aperto porca com uma chave convencional. Quando se espera que as pregagens

comportem uma carga significativa, recomendvel instalar inicialmente 70% da

capacidade do prego. Isto fornece uma carga conhecida, com uma reserva para o caso de

existirem cargas adicionais induzidas por deslocamentos no macio rochoso.

Para aplicaes em que essencial que se mantenha a carga no suporte, deve-se usar

ancoragens com resina (Figura 3. 8). Tipicamente, so constitudas por cartuchos que

contm uma resina e um catalisador em compartimentos separados. Estes cartuchos so

empurrados para o fundo do furo, frente do varo, sendo este depois rodado para dentro

do cartucho. O invlucro rompe-se e a resina e o catalisador misturam-se pela aco da

rotao. A resina ganha presa em poucos minutos, criando-se uma ncora muito forte. Este

tipo de ncora funciona em quase todo o tipo de rochas, incluindo argilas xistosas e lodos.

3-15


Figura 3. 8- Esquema de pregagem ancorada e injectada com resina

(Hoek et al., 1995)

3.3 Tneis Pr-Revestidos

Em condies particularmente difceis os mtodos sequenciais de escavao passam a

processar-se sob a proteco de uma estrutura previamente instalada que suporta o macio

durante a escavao.

Os mtodos mais correntemente utilizados so o pr-corte mecnico, o jet-grouting e os

arcos celulares.

3.3.1 Pr-corte mecnico

Trata-se de um mtodo desenvolvido em Frana nos anos 70. Consiste na criao de um

corte, no extradorso da escavao, com uma espessura de 15 a 25 cm e um desenvolvimento

entre 3 e 5 metros. A abertura realizada deve ser imediatamente preenchida com beto

projectado de presa rpida e elevada resistncia, de maneira a criar uma casca no interior

do macio. Estas cascas, encaixando-se umas nas outras, permitem a escavao do tnel em

seco plena (ver Figura 3. 9). Dada a reduzida espessura do pr-revestimento este

posteriormente complementado com cambotas metlicas.

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CAPTULO 3

Figura 3. 9- Pr-corte mecnico (R. J. Mair e R. N. Taylor, 1997)

Uma vez que o pr-corte orientado por laser, torna-se possvel eliminar o problema da

sobrescavao o que, em conjunto com a diminuio da instabilidade da frente, permite

reduzir drasticamente os deslocamentos provocados pela obra.

Este mtodo apresenta apenas dois entraves sua utilizao. O primeiro prende-se com a

estabilidade da abertura no perodo desde o corte at ao preenchimento com beto. A

manuteno dessa estabilidade exige que o macio tenha uma coeso de cerca de 20 kPa,

sendo ainda fundamental evitar o aparecimento de gua, seja por rebaixamento do lenol

fretico ou por impermeabilizao da zona envolvente. O segundo entrave, muito mais

difcil de ultrapassar, o elevado cust

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2001 Alexandra Ferreira Da Costa Delgado Tese de Mestrado