Este artigo foi publicado na edição de agosto de 2024 do periódico Geomechanics and Tunneling Journal.
À medida que as cidades crescem e os projetos de infraestrutura se tornam cada vez mais ambiciosos, há uma crescente demanda por escavação de túneis.
Isso significa que os projetistas e engenheiros estão enfrentando cada vez mais desafios, principalmente na escavação segura e eficiente de túneis em solo macio, em que o gerenciamento de recalques e a garantia de estabilidade são fundamentais.
Ao mesmo tempo, espera-se que as equipes de escavação de túneis façam mais com menos, como trabalhar com orçamentos mais apertados, cumprir prazos mais curtos e reconhecer a necessidade de menores margens de erro.
Embora o trabalho não tenha se tornado mais simples, é possível reduzir riscos e incertezas e melhorar a precisão das decisões na escavação de túneis.
Por que a escavação de túneis urbanos pode ser uma experiência preocupante
As áreas urbanas densamente povoadas representam um conjunto especial de problemas para os projetistas e engenheiros de túneis. Um deles é a proximidade da infraestrutura existente, das redes de serviços públicos e dos edifícios. Medidas rigorosas relacionadas ao meio ambiente (como controle de ruído, vibração e poeira) serão implantadas para reduzir os impactos nas pessoas e nos negócios. Além disso, a complexidade logística da operação de tuneladoras (TBMs, Tunnel Boring Machines) em espaços confinados e com acesso limitado pode ser, no mínimo, um desafio.
Até mesmo a escolha das tuneladoras envolve um conjunto exclusivo de questões e decisões complexas. Qual tipo é capaz de garantir os resultados mais eficazes nas circunstâncias e condições do solo (equilíbrio de pressão do solo (EPB, Earth Pressure Balance) ou revestimento de lama bentonítica) e como fazer a escolha certa?
Construção da conexão Tuen Mun-Chek Lap Kok. Ao realizar análises de sensibilidade e paramétricas no PLAXIS 3D, a Golder Associates conseguiu reduzir o número de estacas barrete necessárias para controlar a ovalização de 158 para 106.. Imagem: Golder Associates Hong Kong.
Como a modelagem numérica mostra com clareza qual é a melhor escolha
A modelagem numérica precisa e esclarecedora tornou-se muito importante para alcançar esses objetivos e essencial para simular o comportamento de solos macios sob várias condições de carga e drenagem. Por meio de métodos avançados de simulação e do exclusivo fluxo de trabalho geotécnico integrado da Seequent, os engenheiros podem garantir o desenvolvimento seguro, eficiente e sustentável da infraestrutura subterrânea nas cidades.
“A solução PLAXIS da Seequent oferece um conjunto abrangente de abordagens para modelagem numérica de escavação de túneis. E, o que é mais importante, ele é igualmente adequado para técnicas de EPB ou revestimento de lama bentonítica.”
Com o PLAXIS, os engenheiros são capazes de criar sequências de construção e geometrias detalhadas de túneis em conformidade com os requisitos específicos desses dois tipos de tuneladora. Ele facilita a modelagem de formas complexas de túneis e a incorporação de diferentes tipos de revestimento para garantir simulações precisas do processo de escavação em tempo hábil.
A modelagem numérica ajuda engenheiros a avaliar as interações entre os túneis e estruturas próximas. Imagem: Saidel Engineering
Os principais recursos incluem o PLAXIS Tunnel Designer, uma ferramenta avançada criada com um propósito específico. Ele inclui uma extensa biblioteca de materiais e uma interface de automação e criação de scripts perfeitamente integradas em um fluxo de trabalho integrado e de colaboração.
Portanto, o PLAXIS pode desempenhar uma função fundamental na previsão de deslocamentos do solo, na avaliação do desempenho de túneis e na otimização de estratégias de suporte.
Compreensão dos problemas…
Uma parte significativa dos túneis passa por um solo macio, que geralmente apresenta alta compressibilidade e baixa resistência a cisalhamento e, portanto, aumenta o risco de recalque do solo e deformação desses túneis. Engenheiros de modelos numéricos precisos garantem a estabilidade e a integridade dos túneis durante todo o processo de construção e da vida útil.
A presença de estruturas próximas, como edifícios e outros túneis, complica os projetos de construção de túneis. O processo de escavação pode causar deslocamentos do solo que afetam a estabilidade e a integridade dessas estruturas. A modelagem numérica desempenha uma função importante na avaliação dos possíveis impactos e na elaboração de medidas de redução de riscos para proteger a infraestrutura existente. Ao simularem a interação entre o túnel e o solo circundante, os engenheiros podem prever os padrões de recalque, identificar áreas críticas e implantar estratégias para reduzir os efeitos adversos, como o ajuste das técnicas de escavação ou a instalação de barreiras de proteção.
…e a escolha da tuneladora certa
– Os equipamentos de EPB foram projetados para controlar a pressão do solo na face de túneis. Eles usam o próprio material escavado para formar um tampão e, dessa forma, equilibrar a pressão e reduzir o recalque. A principal vantagem dos equipamentos de EPB é sua capacidade de lidar com uma variedade de tipos de solo principalmente aqueles com alta plasticidade e baixa permeabilidade.
– Os equipamentos de revestimento de lama bentonítica usam uma massa pressurizada (normalmente bentonítica) para apoiar a face de túneis. Esse método é particularmente eficaz em solos altamente permeáveis, como areia e cascalhos, em que a manutenção da pressão da face de túneis é fundamental. O revestimento de lama bentonítica é eficiente para controlar a entrada de água e manter a estabilidade da face de túneis. A desvantagem está nos custos e na complexidade dos processos de separação e tratamento da lama, além da necessidade de uma extensa infraestrutura de superfície para sua manipulação.
Recursos
Como o PLAXIS Tunnel Designer ajuda equipes de construção de túneis a tomar as decisões certas com mais rapidez e confiança
Com o PLAXIS Tunnel Designer, os engenheiros podem criar sequências de construção e geometrias detalhadas de túneis em conformidade com os requisitos específicos das tuneladoras de EPB e revestimento de lama bentonítica. Isso facilita a modelagem de formas complexas de túneis e a incorporação de diferentes tipos de revestimento para garantir simulações precisas do processo de escavação em tempo hábil.
Extensa biblioteca de materiais
O PLAXIS tem uma extensa biblioteca de materiais que é essencial para simular com precisão a diversidade de condições de solos e de rochas encontradas durante escavações de túneis. Os inúmeros modelos de materiais constitutivos ajudam engenheiros a reproduzir os comportamentos específicos da areia, da argila e do maciço rochoso sob qualquer condição de carga.
Automação e criação de scripts
A interface de automação e criação de scripts do PLAXIS aumenta a produtividade e economiza tempo. Ela torna a modelagem numérica de túneis mais flexível, versátil e direcionada aos problemas específicos de cada projeto.
Os engenheiros podem automatizar tarefas repetitivas e personalizar o processo de modelagem por meio da criação de scripts e, dessa forma, agilizar a iteração de diferentes cenários e o ajuste detalhado dos parâmetros de modelos. Isso tem um valor inestimável quando lidamos com as condições complexas e variáveis frequentemente associadas à escavação de túneis com as tuneladoras de EPB e revestimento de lama bentonítica.
Fluxo de trabalho integrado para modelagem geotécnica
O fluxo de trabalho para modelagem geotécnica da Seequent se integra perfeitamente ao PLAXIS e fornece uma solução abrangente e integrada para desenvolvimento de projetos e análise de túneis. Esse fluxo de trabalho usa as ferramentas avançadas da Seequent para gerenciamento de dados, modelagem geológica e visualização. Dados geotécnicos, parâmetros de projeto e progresso da construção podem ser integrados de forma rápida e fácil.
Esses fluxos de trabalho integrados estão se tornando uma expectativa cada vez mais importante em projetos de infraestrutura. Eles garantem que todos os stakeholders tenham acesso a informações atualizadas, melhorem a colaboração e reduzam os riscos em decisões tomadas durante todo o processo de construção do túnel.
O PLAXIS tem um papel fundamental na previsão do deslocamento do solo e na avaliação do desempenho de um túnel submarino de tráfego que atingiu um recorde histórico.
Na conexão Tuen Mun-Chek Lap Kok, a Golder Associates Hong Kong Ltd. construiu, com TBM, um dos maiores túneis submarinos do mundo, a 55 m abaixo da superfície e com 4,1 km de comprimento. Diante das condições extremamente complexas do solo nas terras recém-recuperadas de Hong Kong, sabia-se que os métodos geotécnicos tradicionais não permitiriam o controle de deslocamento do solo para alcançar a vida útil necessária de 120 anos.
Com o uso do PLAXIS, a Golder Associates criou um projeto capaz de atender a demanda de uma tuneladora de equilíbrio de pressão com lama necessária para garantir estabilidade. A empresa também conseguiu fazer otimizações que diminuíram o tempo de construção em dois meses, reduziram as emissões de CO2 em 1.500 toneladas e economizaram US$ 16 milhões.