Análise computacional das deformações em túneis gêmeos profundos interligados por galerias

Abstract

Os túneis são fundamentais para o desenvolvimento de infraestruturas urbanas e seu dimensionamento e análise estrutural envolvem diversos parâmetros geotécnicos e estruturais. Entre os aspectos críticos a serem considerados estão o fechamento da cavidade, a pressão exercida sobre o revestimento e a descompressão do maciço no entorno do túnel. Este estudo utiliza modelos constitutivos não lineares para o maciço e revestimento, com o objetivo de investigar as deformações instantâneas e diferidas em túneis gêmeos profundos interligados por galerias transversais, tanto no final da construção quanto a longo prazo. Utiliza-se um modelo computacional em elementos finitos tridimensional, sendo a escavação do túnel e a colocação do revestimento realizadas por meio da ativação-desativação de elementos. A abordagem contempla um modelo acoplado elastoplástico-viscoplástico para o maciço, considerando a variação do ângulo de atrito da componente plástica entre 0º, 5º e 10º. O comportamento plástico do material é representado pelo critério de plastificação de Drucker-Prager, com uma regra de fluxo não associada e comportamento perfeito, ou seja, sem endurecimento/amolecimento. A componente viscoplástica segue a teoria de Perzyna, utilizando o mesmo critério, porém associado. Para o revestimento de concreto, foi considerado um modelo elástico linear e, para a fluência, um modelo viscoelástico descrito por uma cadeia de Kelvin Generalizada baseada na formulação do CEB-FIP MC90. A verificação do modelo computacional é realizada por comparações com soluções analíticas e numéricas presentes na literatura, em uma configuração simplificada sem a galeria transversal. Realizaram-se análises da convergência e da distribuição dos esforços em túneis isolados, a fim de avaliar os efeitos dos diferentes tipos de revestimento. Em seguida, realizou-se o estudo de túneis gêmeos sem galeria em comparação com túneis isolados, evidenciando a anisotropia das deformações na parede do túnel longitudinal. Por fim, ao analisar os túneis gêmeos interligados por uma galeria transversal, observou-se que a influência da galeria se estende por cerca de três vezes o raio do túnel longitudinal em cada direção a partir de seu eixo, promovendo um aumento nas convergências e uma redistribuição das pressões atuantes sobre o revestimento nessa região. A escavação da galeria resultou em uma redistribuição de tensões não uniforme ao longo do perímetro da seção, com alívio de esforços em determinadas regiões e intensificação em outras, evidenciando um comportamento anisotrópico tanto das deformações quanto das pressões.

Tunnels are essential for urban infrastructure development, and their design and structural analysis involve a wide range of geotechnical and structural parameters. Critical aspects include cavity convergence, pressure exerted on the lining, and decompression of the surrounding rock mass. This study employs nonlinear constitutive models for rock mass and lining to investigate instantaneous and time-dependent deformations in deep twin tunnels connected by transverse galleries, analyzing both short-term and long-term behavior. A three-dimensional finite element model is employed, with tunnel excavation and lining installation simulated using the element activation-deactivation method. The approach incorporates a coupled elastoplastic-viscoplastic model for the rock mass, with the plastic component’s friction angle varying between 0°, 5°, and 10°. The material’s plastic behavior is represented by the Drucker-Prager yield criterion, using a non-associated flow rule and perfect plasticity (no hardening/softening). The viscoplastic component follows Perzyna’s theory, applying the same yield criterion but with an associated flow rule. A linear elastic model is adopted for the concrete lining, and creep effects are considered through a viscoelastic model based on a Generalized Kelvin Chain formulation, following the CEB-FIP MC90 standard. The computational model is verified through comparisons with analytical and numerical solutions available in the literature for a simplified configuration without the transverse gallery. Convergence and stress distribution analyses were performed for isolated tunnels to evaluate the effects of different concrete lining types. Subsequently, twin tunnels without a connecting gallery were analyzed in comparison to isolated tunnels, highlighting the anisotropy of deformations in the longitudinal tunnel wall. Finally, the analysis of twin tunnels interconnected by a transverse gallery revealed that the gallery’s influence extends for approximately three tunnel radius in each direction from its axis, leading to an increase in convergence and redistribution of the pressures acting on the longitudinal tunnel lining in this region. The excavation of the gallery resulted in complex and non-uniform stress redistribution along the tunnel perimeter, with stress relief in certain areas and intensification in others, highlighting an anisotropic behavior of both deformations and lining pressures.