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ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS
Introdução
Métodos construtivos
Métodos com couraça,
Métodos sem couraça
Comportamento do maciço
Métodos de dimensionamento
Métodos empíricos,
Métodos semi-empíricos,
Métodos numéricos
Escavações Subterrâneas
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Introdução
Quando comparado com obras convencionais, os túneis
apresentam diversas peculiaridades. Em um túnel o maciço
não é apenas carregamento, o maciço é parte da estrutura.
Concepção “estrutural”:
o revestimento é a 
estrutura e resiste ao peso
do maciço.
Concepção “geotécnica”:
o revestimento e maciço são
a estrutura (+ econômico).
Escavações Subterrâneas
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Modelos
de Cálculo
ESTRUTURAS
CONVENCIONAIS:
 Métodos de cálculo
bem sedimentados
 Conhecimento da
da geometria e 
comportamento 
do material
TÚNEIS:
 Métodos de cálculo 
não estão bem 
sedimentados
 Incertezas em relação
a geometria e 
comportamento 
do material
 Problema 3D
Escavações Subterrâneas
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Em um túnel boa parte da atividade de projeto pode ser 
desenvolvida durante a própria contrução.
Escavações Subterrâneas
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Métodos Construtivos
Os métodos construtivos de escavações subterrâneas em
rocha podem ser agrupados em dois grupos:
	- Métodos com couraça e
	- Métodos sem couraça.
Nos métodos com couraça a escavação é normalmente 
realizada de forma mecanizada e a frente de escavação 
é protegida por um escudo. Nos métodos sem couraça
a escavação também pode ser mecanizada. 
Escavações Subterrâneas
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Métodos com couraça
Existem vários tipos de TBM (Tunnel Boring Machine),
que são aplicados para escavação em rocha. Este tipo
de equipamento, quando desenvolvido para trabalho em
solo, são denominados de shield.
Escavações Subterrâneas
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Métodos sem couraça
Escavações Subterrâneas
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NATM - New Austrian Tunnelling Method
Novo Método Austríaco de Túneis (NATM) . Métodos de escavação sem couraça mais utilizado no Brasil. Favorece as deformações do maciço,adjacente ao contorno escavado, para redistribuir e, ao mesmo tempo, reduzir as tensões máximas induzidas, sem permitir sua desagregação e conseqüente perda de coerência. Estabelecendo :
	-aproveitar ao máximo a capacidade autosuportante do maciço, adjacente ao contorno escavado;
	-escavar uma seção arredondada, preferencialmente plena, e parcializada, quando sua estabilidade exigir;
	-aplicar suporte flexível em todo contorno escavado, exceto no piso, quando horizontal e suficientemente resistente, antes da desagregação da zona potencialmente plastificáveis;
	- dimensionar o revestimento final durante a obra, em função do comportamento mecânico da frente de escavação;
	- controlar e corrigir o desempenho do maciço e respectivo suporte, com base nos resultados do monitoramento dos deslocamentos do contorno escavado e, eventualmente, da superfície, durante o processo de escavação. 
Escavações Subterrâneas
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chumbadores,
tirantes,
cambotas,
telas metálicas,
concreto projetado,
Tipos de suporte
 
retro-escavadeira
martelete pneumático,
explosivos.
Materiais e equipamentos
Escavações Subterrâneas
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Sequências de escavação
ESCAVAÇÃO A SEÇÃO PLENA
seção transversal
Escavações Subterrâneas
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ESCAVAÇÃO PARCIALIZADA 
EM CALOTA E BANCADA
seção transversal
núcleo
arco invertido provisório
arco invertido definitivo
Escavações Subterrâneas
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ESCAVAÇÃO PARCIALIZADA
COM GALERIA LATERAL (Side Drift)
2) escavação das 
 galerias laterais
3) escavação da 
 região do teto
4) seção final
Escavações Subterrâneas
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ESCAVAÇÃO PARCIALIZADA
EM UM MACIÇO FRATURADO
descontinuidades
tirantes
Escavações Subterrâneas
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Túneis de pequeno diâmetro
Pipe-Jacking
f = 1 a 3m - Comprimento=200 a 300m
Escavações Subterrâneas
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Melhoria de solos
INJEÇÃO DE CIMENTO
CONGELAMENTO
ENFILAGEM
Escavações Subterrâneas
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Instrumentação
Inclinômetros
Extensômetros
Células de carga
Pinos de convergência
Medidas de convergência
Escavações Subterrâneas
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Custos
METRÔ DE ESTOCOLMO
	Túnel (44 a 48 m2)
		Concreto projetado 2.000 a 3.000 US$/m
		
	Estação subterrânea (100 a 120 m2)
		Concreto projetado 5.000 a 10.000 US$/m
		
BRASIL (?)
	Metrô SP - 2 Túneis em argila rija (NATM)
	5.200 a 5.600 US$/m
ALEMANHA - Metrôs
	NATM - 3.200 a 7.000 US$/m
	Shield - 9.600 a 21.300 US$/m
Escavações Subterrâneas
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Comportamento do Maciço
Comportamento da escavação de um túnel em um maciço contínuo.
Escavações Subterrâneas
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Papel do suporte
Escavações Subterrâneas
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Efeito do atraso do suporte
Escavações Subterrâneas
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Tipos de instabilidade em material inconsolidado
INSTABILIDADE
DE FRENTE
INSTABILIDADE
DE TETO
INSTABILIDADE
DE FUNDO
INSTABILIDADE
DAS PAREDES
Escavações Subterrâneas
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Tipos de instabilidade 
Maciço contínuo sujeito a um nível baixo de tensões.
Resposta linear elástica com pouca ou nenhuma 
ruptura.
Maciço contínuo sujeito a um nível alto de tensões.
Desplacamento e lascamento iniciados em pontos
de alta concentração de tensão no contorno da 
escavação e propagação no entorno do maciço.
Escavações Subterrâneas
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Maciço pouco fraturado sujeito a um baixo nível de
tensões. Blocos ou cunhas formados pelas desconti-
nuidades que se interceptam podem escorregar ou
cair sob a ação da gravidade. 
Maciço pouco fraturado sujeito a um alto nível de
tensões. Rupturas ocorrem como resultado de 
escorregamento em descontinuidades e também por
desplacamento e lascamento dos blocos.
Escavações Subterrâneas
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Maciço altamente descontínuo sujeito a um nível 
alto de tensões. O maciço rochoso ao redor da
abertura falha por escorregamentos pelas desconti-
nuidades e esmagamento de blocos de rocha. O
fechamento do piso e paredes laterais são resultados
típicos deste tipo de ruptura.
Escavações Subterrâneas
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Métodos de Dimensionamento
Os métodos de dimensionamento para escavações 
subterrâneas podem ser agrupados em:
 Métodos empíricos 
 Classificações Geomecâncias
 Métodos semi-empíricos
 Soluções para meios contínuos
 Soluções para meios descontínuos
 Métodos numéricos
 Método das Diferenças Finitas
 Método dos Elementos Finitos
 Método dos Elementos de Contorno
Escavações Subterrâneas
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Métodos empíricos
As Classificações Geomecânicas foram elaboradas por
especialistas a partir da observação do comportamento de diversas obras. Uma Classificação Geomecância deve:
 Dividir maciços em grupos de comportamento semelhante,
 Fornecer base para compreensão das características, 
 Facilitar o projeto de estruturas na rocha estabelecendo
 dados quantitativos para soluções de engenharia, e
 Estabelecer base comum para a comunicação entre 
 diferentes profissionais envolvidos em diferentes fases
 do problema.
Para isto a classificação deve ser:
 Simples e significativa,
 Baseada em parâmetros significativos de fácil determina-
 ção no campo.
Escavações Subterrâneas
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Métodos semi-empíricos
Soluções analíticas ou derivadas numericamente, para
condições idealizadas, podem ser utilizadas para estudo
de escavações subterrâneas, associadas a um conheci-
mento empírico do problema.
Existem métodos semi-empíricos que tratam o maciço
como contínuo (ou um contínuo equivalente) ou tratam
o maciço como descotínuo. Os métodos que tratam o 
maciço como contínuo são muitos e admitem diferentes
hipóteses para o comportamento do maciço. Dentre os
métodos que tratam o maciço como descontínuo pode-se
citar a Teoria dos Blocos (Block Theory) ver 
GOODMAN (1989). 
Escavações Subterrâneas
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Métodos numéricos
Para análise demuitos problemas são aplicados métodos
numéricos. Os métodos numéricos que fornecem a 
solução do problema apenas em alguns pontos do maciço
são chamados de métodos discretos. Os principais destes
métodos, aplicados no estudo de escavações subterrâneas,
em meios predominantemente contínuos, são:
 Método das Diferenças Finitas (MDF),
 Método dos Elementos Finitos (MEF),
 Método dos Elementos de Contorno (MEC).
Existem métodos numéricos formulados especialmente
para tratar meios muitos fraturados (como por exemplo
Elementos Distintos e o DDA). 
Escavações Subterrâneas
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O domínio do problema é discretizado de formas 
diferentes para solução por cada método numérico.
Escavações Subterrâneas
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O Método das Diferenças Finitas consiste na substituição
da equação diferencial que governa o fenômeno em 
estudo por uma equação algébrica, que relaciona o valor
da variável do problema em um ponto aos valores em
pontos vizinhos. A solução pode ser obtida de forma 
iterativa.
O Método dos Elementos Finitos, resumidamente, 
consiste na divisão do domínio do problema em elementos
conectados em alguns pontos nodais, para cada elemento
é determinada uma matriz que relaciona a variável de
estudo com as condições impostas; com a matriz de cada
elemento monta-se uma matriz global, e após resolvido o
sistema de equações tem-se o valor da variável nos pontos
nodais. No Método dos Elementos de Contorno a 
discretização é realizada apenas no contorno, sendo a
formulação matemática diferente.
Escavações Subterrâneas
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O método numérico mais utilizado para estudo de escava-
ções subterrâneas é o MEF. Uma das formas de simular a escavação é a técnica de redução do carregamento:
1) Aplicação das tensões
 iniciais.
2) Retirada dos elemen-
 tos escavados e apli-
 cação de uma fração
 da tensão atuante, p/
 simulação do efeito
 3D.
3) Colocação do revesti-
 mento e aplicação do
 restante da tensão.
Escavações Subterrâneas
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Exercício de classificação geomecânica 
Túnel escavado em 
basalto com direção NS.
s1= 1MPa,
RQD=80%,
qu= 80MPa,
Pequeno fluxo d’água.
Família 1 - Direção NS, Mergulho 60oE, espaçamento 60cm,
	persistente, contato rocha-rocha, pouco rugosa e 
	levemente alterada.
Família 2 - Sub-horizontal, espaçamento 30cm, presistente, 
	superfícies muito alteradas, preenchida com argila
	pouco adensada, (espessura<5mm).
Escavações Subterrâneas
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Classificação RMR de Bieniawski 
Bieniawski, em 1976, 1979 e 1984, propôs e atualizou
um sistema de classificação onde considera os seguintes
parâmetros do maciço:
 Resistência a compressão simples,
 RQD,
 Espaçamento das descontinuidades,
 Padrão das descontinuidades,
 Ação da água subterrânea,
 Orientação relativa das descontinuidades/escavação. 
Partindo da contribuição relativa de pesos em função dos
níveis de variação dos parâmetros, determina-se a classifi-
ção pelo somatório dos pontos obtidos, denominado RMR
 (Rock Mass Rating).
Escavações Subterrâneas
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Resistência a compressão simples (MPa)
RQD
Espaçamento das descontinuidades
Escavações Subterrâneas
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Padrão das descontinuidades
Ação da água subterrânea
Escavações Subterrâneas
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Orientação relativa das descontinuidades/escavação
Escavações Subterrâneas
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O somatório dos pesos determina a classe do maciço.
Escavações Subterrâneas
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CLASSIFICAÇÃO POR BIENIAWSKI
qu= 80 Mpa
RQD = 80%
espaçamento
padrão descont.
água
orientação
Classe IV => Maciço regular a ruim
Pela Figura 10 de GOMES (1991) nota-se que seria necessário
um RMR da ordem de 50 para escavação a seção plena. Com um
RMR de 38 pode-se escavar aberturas de até 6m. Como solução 
adota-se uma parcialização da seção em quatro frentes.
Escavações Subterrâneas
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O sistema Q de Barton 
O sistema proposto por Barton et al., em 1974, utiliza
um parâmetro Q para classificar o maciço, sendo: 
onde:
RQD - Índice RQD,
Jn - Índice relativo ao número de famílias de descont.,
Jr - Índice relativo a influência da rugosidade das descont.,
Ja - Índice relativo a alteração das paredes das descont.,
Jw - Índice relativo a ação da água subterrânea,
SRF - Índice relativo ao estado de tensões do maciço.
Os parâmetros estão tabelados em GOMES (1991).
Escavações Subterrâneas
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CLASSIFICAÇÃO POR BARTON
FAMÍLIA 1
RQD = 80
Jn = 4
Jr = 1,5
Ja = 2,0
Jw = 1,0
SRF = 1,0
Q=15
FAMÍLIA 2
RQD = 80
Jn = 4
Jr = 1,0
Ja = 15
Jw = 1,0
SRF = 1,0
Q=1,33
Famíla 2 => mais crítica 
Maciço ruim
Maior comprimento do vão sem necessidade de suporte (ESR=1,3):
	Lmáx.=2(ESR) Q0.4 suporte provisório Q’=5Q 
	Lmáx.=2(1,3) (5*1,33)0,4 = 5,5m
É necessário parcializar em quatro frentes.
Dimensão equivalente (De):
	De=L/ESR=5/1,3=3,8
Com Q e De => Tabela 15 de GOMES (1991) => ancoragem com
chumbador c/ espaçamento de 1m e 20 a 30 mm de concreto projetado
Escavações Subterrâneas
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Bibliografia
GOLSER, J. (1996) Retificações às opiniões do Prof. Kovári
	sobre o Novo Método Autríaco de Túneis. Tradução n.
	14, ABGE, São Paulo. 16p.
GOMES, R.C. (1991) Classificações geomecânicas de maciços
	rochosos. Publicação EESC/USP. 37p.
GOODMAN, R.E. (1989) Introduction to rock mechanics.
	2nd ed.Willey, New York. 562p.
HOEK, E.; KAISER, P.K.; BAWDEN, W.F. (1995) Suport of
	undeground excavation in hard rock. Balkema,
	Rotterdam. 215p.
RABCEWICZ, L.V. (1979) Pricípios e modos de aplicação do 
	Novo Método Austríaco de abertura de Túneis com atenção 
	particular às condições geotécnicas e topográficas 
	brasileiras. Tradução n.8, ABGE, São Saulo. 35p.
VELOSO, D.A.;SANTA MARIA,P.E.L. & LOPES, F.R. (1996)
	Princípios e modelos básicos de análise. In: HACHICH
	et al., Fundações Teoria e Pratica. São Paulo, PINI. 
	p.163-196.
Escavações Subterrâneas