Simulação numérica da construção de túneis: Análises bidimensionais versus análises tridimensionais

Abstract

O projeto de conceção e dimensionamento de túneis assenta na análise de três aspetos fundamentais: estabilidade da frente de escavação, esforços instalados no suporte e movimentos induzidos à superfície do maciço. Estes três aspetos estão intrinsecamente interligados e, dada a hiperestaticidade do problema, só com recurso a análises numéricas é possível analisá-los. Apesar do carácter tridimensional deste tipo de estruturas é frequente a sua modelação numérica ser efetuada recorrendo somente a modelos bidimensionais. Tal, deve-se essencialmente à complexidade da geração de um modelo fidedigno 3D e sobretudo às limitações existentes em termos de recursos temporais e computacionais. A adoção de modelos 2D implica necessariamente simplificações que levem em conta os efeitos tridimensionais gerados pela escavação e o atraso temporal com que o suporte é instalado face à frente da escavação. Dos diversos métodos desenvolvidos e propostos na bibliografia para atender a estas limitações destaca-se o método de relaxação das tensões em que os processos atrás descritos são simulados recorrendo-se ao designado fator de alívio, α. Com este trabalho pretende-se analisar pormenorizadamente o comportamento de túneis superficiais escavados em maciços terrosos, dando importância aos aspetos mais condicionantes no dimensionamento de um túnel. Uma das questões fundamentais analisadas, e que raras vezes é referida na bibliografia, prende-se com o estudo da variação existente dos esforços mobilizados ao longo dos segmentos do suporte do túnel. Com o objetivo de clarificar este aspeto realizaram-se diversas análises numéricas bidimensionais e tridimensionais, devidamente calibradas através da adoção de um fator de alívio adequado. A importância de fatores como a espessura e a variação da rigidez do suporte com o tempo, bem como o comprimento da escavação não suportada foram igualmente alvo de estudo aprofundado

The design of tunnels is based in the analysis of three major aspects: stability of the excavation face, lining structural forces and induced surface settlements. These three aspects are intertwined and, due to the hiperstaticity of the problem, are only possible to assess with the use of numerical analysis. Despite the three-dimensional nature of this kind of structures their numerical modelling is usually performed using two-dimensional models. This essentially occurs due to the complexity of generate a reliable three-dimensional model and, primarily, due to the time consumption and computing resources required. The use of two-dimensional models inevitably implies simplifications in order to simulate the three-dimensional effects generated by the excavation of the tunnel and the time gap that occurs between the excavation and the installation of the lining. From the several methods proposed in the literature to overcome these limitations the stress relief method should be highlighted. In this method the three-dimensional effects are simulated by the adoption of a stress relief factor (α). With this work it is intended to analyse in detail the behaviour of the excavation of shallow tunnels. One of the major aspects analysed, often undiscussed in the literature, is the existent variation of the lining structural forces over the length of the lining segment. In order to clarify this aspect several bi-dimensional and three-dimensional numerical analyses, which were properly calibrated by adopting an adequate stress relief factor, were performed. The influence of factors such as the lining thickness, the variation with time of the lining stiffness and the length of the unsupported excavation were also addressed in detail.