Modelagem numérica de túneis gêmeos com galerias transversais

Abstract

O projeto de um túnel profundo é uma tarefa bastante complexa, levando-se em conta os diversos parâmetros a serem determinados para o dimensionamento, podendo ser necessário fazer diversos estudos diferentes para um mesmo projeto. Além das características do maciço no qual o túnel será escavado, a geometria adotada, a profundidade e as propriedades mecânicas do revestimento que será aplicado, a interação maciço-revestimento também deve ser levada em conta para a compreensão do comportamento estrutural e a determinação de alguns parâmetros-chave para o dimensionamento, como a convergência (tendência ao fechamento). Neste trabalho, buscou-se apresentar alguns métodos de dimensionamento já existentes e elaborar modelos numéricos bidimensionais e tridimensionais capazes de representar os materiais do maciço e revestimento, bem como simular as etapas de escavação e colocação do revestimento. Para este estudo, foram tomados como referência os resultados obtidos através de expressões analíticas considerando-se o maciço em elasticidade e plasticidade, bem como análises numéricas em elasticidade e plasticidade com colocação de revestimento elástico com o software GEOMEC91, desenvolvido por Bernaud (1991). Baseado nestes estudos de validação, desenvolveu-se scripts para o software ANSYS, considerando uma série de configurações de túneis, desde modelos bidimensionais axissimétricos até modelos tridimensionais, incluindo-se o caso de túneis gêmeos e a presença de galerias transversais entre eles. Em analogia aos modelos de validação, considerou-se o comportamento do maciço em elasticidade e plasticidade, utilizando o critério de Von Mises, e um revestimento com comportamento elástico. O método de ativação e desativação de elementos foi empregado para reproduzir as etapas de escavação e colocação do revestimento. Variando-se alguns parâmetros, como os afastamentos entre os túneis principais e as galerias transversais e a presença ou não do revestimento, pode-se observar e compreender os efeitos de cada uma dessas alterações nos campos de tensões e deslocamentos do modelo, e consequentemente nas curvas de convergência de cada caso analisado.

The designing of a deep tunnel is an extremely complex task, considering the numerous parameters that need to be determined for the sizing. In some cases, several different studies are required for the same project. Besides the rock mass properties in which the tunnel will be executed, the adopted geometry, the deepness, and the mechanical properties of the lining applied, the interaction between the rock mass and the lining must also be considered to understand the structural behavior and to determine some key-parameters for the designing, such as the convergence (tendency to closure). In this study, some designing methods were presented and bi- and tridimensional numerical models were developed to represent the rock mass and the lining materials, as well as simulating the excavation and lining placement steps. For this study, the results obtained from analytical solutions considering the rock mass in elasticity and plasticity were considered, as well as numerical analysis in elasticity and plasticity with elastic lining placement using the software GEOMEC91, developed by Bernaud (1991). Based on these validation studies, scripts for the software ANSYS were developed, considering some series of tunnel configurations, from bidimensional axisymmetric models to tridimensional models, including the case of twin tunnels with transversal connections between them. Similarly, to the validation studies, the rock mass behavior was also considered in both elasticity and plasticity, using the Von Mises criteria, and the lining as an elastic material. The death and birth element method was applied to simulate the excavation and lining placement steps. Varying some parameters, as the distances between the twin tunnels and the transversal connections, as well as placing or not the lining, it was possible to comprehend the effects of each one of these changes in the tension and displacement fields of the numerical model, furthermore in the convergence curves of each analyzed case.