Catharina, Loureiro, Koppe, Munaretti, Costa e Silva, 2008 - Estimativa da intensidade de vibrações geradas em escavação de rochas com explosivos em obras de barra

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ESTIMATIVA DA INTENSIDADE DE VIBRAÇÕES GERADAS EM ESCAVAÇÃO DE
ROCHAS COM EXPLOSIVOS EM OBRAS DE BARRAGENS DE CONCRETO
Data · January 2008
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ESTIMATIVA DA INTENSIDADE DE VIBRAÇÕES GERADAS EM ESCAVAÇÃO 
DE ROCHAS COM EXPLOSIVOS EM OBRAS DE BARRAGENS DE CONCRETO 
 
 
Everton Santa Catharina (Graduando Engenharia de Minas – UFRGS) 
santacatharina@yahoo.com 
Douglas Ribeiro Loureiro (Graduando Engenharia de Minas – UFRGS) 
ribeiro634@hotmail.com 
Jair Carlos Koppe (Engenheiro de Minas, Professor DEMIN – UFRGS) - jkoppe@ufrgs.br 
Enrique Munaretti (Engenheiro de Minas, Professor DEMIN – UFRGS) - enrique@ufrgs.br 
João Felipe Coimbra Leite Costa (Engenheiro de Minas, Professor DEMIN – UFRGS) - 
jfelipe@ufrgs.br 
Ricardo Daniel Silva (Engenheiro de Minas – BRITANITE/IBQ) - 
ricardo.silva@britanite.com.br 
 
 
 
 
RESUMO 
A escavação de rochas com a utilização de explosivos é ainda hoje a maneira mais rápida e 
econômica na abertura de estradas, túneis e canais. Entretanto, associado ao uso de 
explosivos, é inerente a perda de energia para o meio vizinho à escavação na forma de 
vibrações elásticas em todas as direções, o que em alguns casos pode causar danos a 
estruturas próximas ao local de escavação. 
A possibilidade de se estimar adequadamente a intensidade das vibrações que possam ser 
geradas em uma detonação é um importante aspecto para minimizar possíveis danos às 
estruturas vizinhas. Nesse sentido, esse estudo fez uma análise de 23 monitoramentos 
sismográficos realizados nas escavações do canal de fuga da Usina Hidroelétrica Passo São 
João – Roque Gonzales - RS, com o objetivo de se estabelecer uma equação de atenuação das 
vibrações que permitisse compreender o comportamento das ondas elásticas no local, de 
modo a evitar danos durante a concretagem da barragem, bem como a prédios ou outras 
estruturas vizinhas. 
 
Palavras chave: monitoramento sísmico, desmonte de rochas, explosivos, atenuação. 
 
 
ABSTRACT 
Blasting in rock excavation is still nowadays the fastest and economical method to be used 
in roads, tunnels and channels construction. Nevertheless, during blasting in rock 
excavation is inherent the energy loss to the environment through elastic vibration in all 
directions, and in some cases it can cause damage in the nearby structures. 
The possibility of estimate the vibration magnitude generated during blasting is an 
important aspect to minimize the possibility to cause structural damages. Based on 23 
seismographic monitoring data carried out during the channel excavation of the 
Hydroelectric Plant Passo São João – Roque Gonzales – RS, the aim of this study was to 
define an attenuation equation of the ground vibrationsthat allows to understand the 
behave of elastic waves in the site to avoid possible damages to the concrete dam, as well 
buildings or nearby structures. 
 
Key Words: seismographic monitoring, blasting, explosives, attenuation. 
mailto:santacatharina@yahoo.com
mailto:jkoppe@ufrgs.br
mailto:enrique@ufrgs.br
mailto:enrique@ufrgs.br
INTRODUÇÃO 
 
O uso de explosivos em escavações para obras civis ainda é a maneira mais rápida e de menor 
custo para quebrar, fragmentar e mover rochas. As vibrações geradas nos desmontes de rocha 
com utilização de explosivos são causadas pela perda de parte da energia dos explosivos para 
o meio (maciço rochoso). Parte da energia é empregada na fragmentação da rocha e depende 
do plano de fogo adotado e da interação com as características geológicas do meio. A energia 
não aproveitada é inerente ao processo de desmonte em rocha com utilização de explosivos, 
dispersando-se em maior ou menor grau em todas as direções no terreno na forma de ondas 
elásticas. Esse movimento de ondas, conhecido, também, como vibrações no terreno, é 
transmitido de acordo com as diversas características do meio, entre elas a densidade, 
descontinuidades do maciço rochoso, a espessura de solo ou rocha alterada encontrada no 
local e presença de água. 
 
Técnicas para monitorar os impactos provocados pelo uso de explosivos por intermédio de 
medições com sismógrafos de engenharia são mundialmente utilizadas com sucesso. A 
determinação da magnitude das vibrações num terreno medindo-se as velocidades de pico de 
partícula geradas por uma determinada carga explosiva a uma determinada distância permite 
se compreender a atenuação das ondas sísmicas no terreno. Sabendo-se que a transmissão de 
uma onda sísmica sofre atenuação com o incremento da distância (Dowding, 1985), é possível 
se prever a partir de monitoramentos com vários geofones e da definição de uma particular 
equação de atenuação de ondas sísmicas os picos máximos de velocidade de vibração e as 
cargas máximas por espera que podem ser utilizados num determinado local. 
 
Esse trabalho apresenta um estudo de caso para auxiliar a compreender a atenuação das ondas 
sísmicas geradas pelo desmonte com explosivos em um local onde está sendo implantada uma 
barragem de concreto de uma hidrelétrica. Nesse tipo de projeto há demandas que incluem 
escavações de túneis e canais comuns em rocha e as obras são geralmente feitas 
simultaneamente com a concretagem da barragem. Para que as vibrações geradas nessas 
escavações não abalem as estruturas vizinhas (barragem, obras auxiliares, casas) o 
monitoramento sismográfico é fundamental, auxiliando na determinação das máximas 
vibrações admissíveis que podem ocorrer no canteiro de obras sem que haja chance de 
promover danos no concreto que está sendo curado. Em geral nesse monitoramento mede-se 
deslocamento, velocidade, aceleração e freqüência das vibrações geradas no desmonte com 
explosivos. A determinação máxima dos níveis de vibração leva em conta principalmente o 
tempo de cura do concreto, que inicialmente é suscetível a vibrações de baixa amplitude. Com 
a finalidade de atender esse objetivo foi implantada uma metodologia de monitoramento 
sismográfico acompanhando o desenvolvimento inicial da obra e, posteriormente, a definição 
de uma equação de atenuação para auxiliar na continuidade do restante da obra. 
 
 
LOCALIZAÇÃO, ASPECTOS GEOLÓGICOS E METODOLOGIA EMPREGADA 
 
Esse trabalho foi realizado durante as escavações do canal de fuga da Usina Hidroelétrica 
Passo São João – RS, no trecho onde passa o rio Ijuí (Figura 1). 
 
 
 
 
Figura 1 – Mapa de localização da hidroelétrica Passo São João no Rio Ijuí. 
 
Antes do início do trabalho de escavação modelos geológicos foram montados a partir de 
dados de testemunhos de sondagem. Na Figura 2 apresenta-se um esboço geológico da região. 
A rocha basáltica não é homogênea e no afloramento são notadas a presença de estruturas 
maciças e micro-amigdaloidais, além de depósitos aluvionares. Estas informações são 
importantes, pois as rochas apresentando diferentes características estruturais transmitem as 
vibrações heterogeneamente. Na Figura 3 observa-se o perfil do canal escavado, com os 
diferentes tipos de basalto. 
 
 
 
Figura 2 – Esboço geológico na área de escavação . 
 
 
 
Figura 3 – Vista lateral parcial da área de escavação. 
 
A coleta dos dados para a construção de uma equação de atenuação das ondas sísmicas, 
específica para as condições geológicas locais, foi feita com monitoramento sísmográfico, 
registrando-se as vibrações produzidas pelas detonações nas áreas de escavação. Procedeu-se 
ao monitoramento dos níveis de vibração em diferentes distâncias (D) ao longo do canal 
escavado e se efetuou o registro das cargas máximas por espera (Qme). 
 
Os equipamentos utilizados foram sismógrafos do tipo Instantel Minimate Plus®, Mini Seis 
da White Seis® e Geosonics®, sendo os transdutores de velocidade de vibração de partícula 
(geofones) fixados com a utilização de uma pasta de gesso na superfície rochosa não alterada 
(Figura 4), buscando-se obter o melhor acoplamento possível. 
 
 
Figura 4 – Acoplamento de geofone com gesso. 
 
Os geofones captam velocidades de vibração de partícula nas três direções perpendiculares: 
longitudinal, vertical e transversal. Os dados registrados foram armazenados na memória 
interna dos aparelhos, sendo posteriormente analisados nos softwares Blastware 8, WhiteSeis 
e Geosonics Seismics Analysis. 
 
Foi definido, inicialmente, que seriam dispostas linhas de sismógrafos partindo-se do local 
das detonações em direção a estrutura de concreto (Casa de Força da UHE). À distância (D) 
da carga máxima por espera (Qme) foi definida como a linha que possui a maior carga quando 
paralela aos sismógrafos e como a primeira linha de carregamento quando o posicionamento 
era perpendicular aos sismógrafos. 
 
As equações de atenuação de onda sísmica foram obtidas a partir dos dados do 
monitoramento sismográfico (velocidades de pico de partícula) registrados em uma tabela 
contendo as cargas máximas por espera (Qme) e as respectivas distâncias (D). Foram 
realizadas 23 amostragens de leituras sísmicas com a utilização de até cinco sismógrafos 
alinhados segundo as direções pré-determinadas. 
 
Foi realizado, inicialmente, um tratamento estatístico preliminar com os 23 valores de 
velocidades de partícula coletados, para a ambientação dos dados e a localização de possíveis 
valores anômalos. Os dados obtidos estão sumarizados na Tabela 1, onde foram incluídos, 
também, os valores correspondentes de distância escalonada (DE = D/Qme
1/2
), NBR 9653 
(ABNT, 2005). 
 
Tabela 1- Sumário estatístico dos dados do monitoramento sismográfico. VR = velocidade de 
vibração de partícula resultante de pico e DE = distância escalonada 
 Mínimo Máximo Média Desvio Padrão Mediana 
VR 6,22 130,00 35,46 35,89 25,10 
DE 3,27 36,99 17,25 4,25 10,25 
 
Para possibilitar a previsão de atenuação das vibrações no terreno ou decaimento das 
velocidades de partícula pode ser feito o tratamento gráfico dos dados. O procedimento 
consiste essencialmente na geração de um gráfico log-log com os dados de velocidades 
coletados (mm/s) e as distâncias escalonadas calculadas (D/Qme
1/2
). 
 
Nos casos onde não se teria possibilidade de monitoramento sismográfico, a distância 
escalonada poderia ser utilizada para definição de critérios de limites de danos. Por exemplo, 
quando a DE fosse maior do que 12 esse valor era considerado como limite para geração de 
uma vibração segura, com pouca probabilidade de causar danos e quando DE fosse menor do 
que 6 poderiam causar sérios dados as estruturas. 
 
 
Determinação da Equação de Atenuação 
 
No presente estudo, optou-se pela utilização da velocidade de vibração de partícula resultante 
de pico (VR) para determinação da equação de atenuação tendo em vista queesse é o 
parâmetro utilizado como critério para limite de danos ao concreto pela construtora da obra 
(Eletrosul). Com a VR obtida no monitoramento sismográfico, a distância (D) e a carga 
máxima por espera (Qme) extraídos das atividades de campo e sabendo-se que a velocidade 
de vibração em um ponto no maciço rochoso depende, entre outros fatores, da distância 
escalonada (DE) foi possível relacionar os valores de VR e DE graficamente (Figura 5). 
 
 
Figura 5 – Gráfico da distribuição dos eventos relacionando VR e DE. 
 
A forma geral da equação de atenuação de onda sísmica, definida pelo método dos mínimos 
quadrados, é dada pela interpolação desses pontos: 
 
u’ = a (X)
m
 
 
Onde: u’, o eixo y, é a velocidade de partícula e X, o eixo x, é a distância escalonada quadrada 
(D/Qme
1/2
). As constantes da equação referem-se a características estruturais do maciço que é 
detonado. Utilizando-se os logarítmos das variáveis de campo pode-se aproximar a equação 
por uma reta (Figura 6). 
 
 
Figura 6 – Gráfico em escala log-log para os eventos sismográficos relacioando VR e DE e o 
coeficiente de correlação obtido (r). 
 
Assim, utilizando o gráfico em escala log-log da equação de atenuação de onda sísmica é 
obtida na forma logarítmica pelo método da regressão linear: 
 
log u’ = log a + m log X 
 
O resultado tem a forma y = b + mx, onde m é o ângulo de inclinação da reta e b é a 
intercessão com o eixo y. Calculando-se 10
log u’ 
e
 
10
log a 
se obtém a forma descrita 
inicialmente. Na Figura 7 apresentam-se os dados obtidos nesse estudo de caso com a 
determinação da equação de atenuação. 
 
 
Figura 7 – Equação de atenuação média obtida para o estudo de caso. 
 
A qualidade das medições pode ser avaliada pelo coeficiente de correlação das medições e 
pelo desvio padrão da reta. O primeiro refere-se ao alinhamento das amostras no gráfico log-
log, ou seja, o nível de relação entre os eventos de campo. O coeficiente de correlação, além 
de confirmar este comportamento da onda (se próximo de -1), pode indicar falhas de 
acoplamento dos equipamentos de sismografia ou até mudanças estruturais significativas no 
maciço conforme as diferentes posições de instalação dos sismógrafos, em outras palavras, 
parte dos eventos destoa do comportamento esperado graficamente, se este valor for 
considerado baixo para o levantamento. 
 
Já o desvio padrão ( ) mostra em média o quanto uma amostra se desvia de seu valor 
esperado e, como a distribuição das velocidades é da forma log-normal, o resultado de 10 é 
o valor correspondente ao erro padrão de estimativa (SE) deste conjunto de amostras. 
 
 
Linhas de Confiança 
 
As linhas de confiança são anexadas juntamente com a reta já existente, ou seja, a reta que 
representa a mediana (50%) dos dados, constituindo retas deslocadas em relação a esta e que 
representam maior confiabilidade e conservadorismo na previsão dos valores de velocidade de 
partícula. Faz-se necessário esse tipo de ajuste para evitar a subestimação de algum valor de 
velocidade, os valores de campo normalmente devem ficar abaixo do previsto. Assim, é 
comum a construção de curvas com intervalos de confiança de 84% e 95%. 
 
O procedimento mais usual para a construção destas retas utiliza o erro padrão de estimativa e 
a mediana dos valores previstos pela equação média. Para encontrar a mediana da reta com 
intervalo de confiança de 84% multiplica-se a mediana desses valores por SE (SE = 10 ). 
Multiplicando este valor por 
)2,( 

n
, da tabela da distribuição T de student, encontra-se a 
mediana da reta com 95% de confiança. Os procedimentos para a construção das curvas são 
encontrados em (Dowding, 1985). Para o presente caso: 
 
Linha de confiança de 84%: 
Mediana 50% das estimativas de velocidade = 18,44 mm/s; 
Desvio Padrão = 0,135; 
Mediana 84% dos dados de velocidade = 10
0,135
 x 18,44 = 25,16 mm/s. 
 
Linha de confiança de 95%: 
Mediana 50% das estimativas de velocidade = 18,44 mm/s; 
Desvio Padrão = 0,135; 
)2,2/( 

n
 = 1,721; 
Mediana 95% das estimativas de velocidade = 10
0,135
 x 18,44 x 1,721 = 43,31 mm/s. 
 
Com os valores das novas medianas é possível a geração das linhas de confiança de 84% e 
95%, ou seja, a reta onde, em média, 84 e 95% dos valores reais estão abaixo do esperado, 
elevando o grau de conservadorismo na previsão das velocidades de partícula (Figuras 8 e 9). 
 
 
Figura 8 – Equação com intervalo de confiança de 84%. 
 
 
Figura 9 – Equação com intervalo de confiança de 95%. 
 
 
Comparação da Carga pela Distância para a Obtenção de um Limite de Vibração 
 
Além da previsão dos níveis de vibração em estruturas ou áreas vizinhas às detonações, é 
possível se estimar, para os limites de vibração das especificações técnicas para a obra, as 
cargas por espera para um intervalo de distâncias onde as estruturas alvo das vibrações se 
encontram. No caso da UHE Passo São João, as estruturas de interesse são as armações de 
concreto da casa de força, que estão sendo erguidas concomitantemente com as escavações. 
 
Para este levantamento foi escolhida a equação com intervalo de confiança de 95%, pois será 
esta a equação usada nas estimativas de velocidade de vibração de campo. A partir da 
especificação da vibração permitida feita pela Eletrosul foram estimadas as cargas máximas 
possíveis para diferentes distâncias da obra à zona de detonação. Esses valores estão inseridos 
na Tabela 2. 
 
Tabela 2 – Estimativas de Carga máxima por espera com 95% de confiança para as 
especificações técnicas do concreto definidas pela empresa Eletrosul para a obra da UHE 
Passo São João 
Tempo de cura 
do concreto 
< 8 horas 8 a 24 horas 1 a 7 dias 7 a 28 dias >28 dias 
Vibração 
permitida 
50 mm/s 15 mm/s 50 mm/s 70 mm/s 100 mm/s 
Distância (m) QME (Kg) 
20 2,02 0,24 2,02 3,64 6,80 
30 4,53 0,55 4,53 8,18 15,30 
40 8,06 0,98 8,06 14,55 27,20 
50 12,60 1,52 12,60 22,73 42,50 
60 18,14 2,19 18,14 32,73 61,19 
70 24,69 2,99 24,69 44,55 83,29 
80 32,24 3,90 32,24 58,19 108,79 
90 40,81 4,94 40,81 73,64 137,68 
100 50,38 6,09 50,38 90,92 169,98 
125 78,72 9,52 78,72 142,06 265,59 
150 113,36 13,71 113,36 204,56 382,46 
175 154,30 18,66 154,30 278,43 520,57 
200 201,53 24,38 201,53 363,66 679,92 
 
 
CONCLUSÃO 
 
O monitoramento mostra que as diferenças nas litologias que compõem o maciço não 
influenciaram o comportamento da velocidade de partícula em torno da escavação. Fato este 
confirmado pela boa correlação dos dados no gráfico VR vs DE. 
 
Esta afirmativa abriu a possibilidade de se usar uma equação com menor intervalo de 
confiança, ficando a escolha a cargo dos responsáveis técnicos da empresa a utilização de uma 
ou outra equação de atenuação. 
 
Com as técnicas utilizadas na coleta de dados e a aplicação das fórmulas apresentadas é 
possível efetuar escavações em áreas adjacentes a aplicação de concreto sem que haja risco de 
danificar as mesmas com uma boa margem de confiança na aplicação da carga de explosivos, 
desde que respeitados os limites definidos pelas estimativas de carga máxima por espera. 
 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
- ABNT, (2005). NBR 9653 Guia para avaliação dos efeitos provocados pelo uso de 
explosivos nas minerações em áreas urbanas, 9 páginas. 
- Dowding, C.H., (1985). Blast Vibration Monitoring and Control, Prentice-Hall. 
Northwestern University. 297 pages. 
 
 
 
 
 
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https://www.researchgate.net/publication/261992698