Simulação tridimensional de túneis escavados em meios poroelásticos

Abstract

O objetivo deste trabalho de tese é a formulação de um modelo constitutivo e computacional para a análise das deformações induzidas pela escavação de um túnel em um meio poroelástico saturado. O campo de deformações, tensões e poropressões que se desenvolvem no entorno do túnel dependerão da profundidade, da geometria da seção, da distribuição de cargas na superfície, da heterogeneidade e distribuição espacial das camadas de solo, do comportamento mecânico conjunto do maciço-revestimento-tirantes passivos, bem como do processo de escavação e colocação do revestimento e tirantes. Foram descritas soluções analíticas e semianalíticas (em deformações planas) do túnel circular em meios homogêneos, anisótropicos e anisótropicos rotados os quais servem de verificação para o código computacional desenvolvido. A aplicação final consiste na análise tridimensional do túnel em um meio poroelástico - anisotrópico e rotacionado, considerando o processo de escavação sequencial e colocação de tirantes passivos radiais e frontais, para estes foram empregados o método de ativação/desativação no processo de escavação e o método de homogeneização nas zonas do maciço com incorpação de tirantes. Observa-se que quando são incorporados os tirantes, o maior deslocamento na parte superior da superficie do túnel e no começõ da distância escavada apresenta uma notável disminuição do seu valor, enquanto que a poropressão monitorada no meio da distância escavada e cima da superficie do túnel apresenta um incremento de valor logo que o frente de escavação passa por baixo do ponto monitorado. Uma ênfase é dada aos maciços com estratos dispostos em diferentes posições espaciais, resultando que a resposta em deslocamentos e poropressões depende principalente do conjunto de parâmetros mecânicos e hidraúlicos do maciço poroelástico.

The objective of this thesis is the formulation of a constitutive and computational model for the analysis of the deformations induced by tunneling in a saturated poroelastic medium. The field of deformations, stresses and pore pressures that develop around the tunnel will depend on the depth, the geometry of the section, the distribution of the initial loads, the heterogeneity and spatial distribution of the soil layers, the mechanical behavior of the rock mass-liner-grouted bolts, as well as the process of the excavation and placement of the lining and bolts. Have been described analytical and semi-analytical solutions (in-plane deformations) of circular tunnel in homogeneous, anisotropic and anisotropic rotated media and this serves as verification for the developed computational code. The final application consists of the three-dimensional analysis of the tunnel in a poroelastic medium - anisotropic and rotated medium, considering sequential excavation and placement of passive radial and frontal bolts, for these purpose the activation/deactivation method is used in excavation process and homogenization method is used in regions of the rock mass with incorporations of bolts. It is observed that when the bolts are incorporated, the greater displacement happen in the top of the tunnel surface and at the beginning of the excavated distance with the excavation process presents a meaningful decrease in its value, while the pore pressure monitored in the middle of the excavated distance and above the surface of the tunnel presents an increase in value as soon as the excavation face passes below the monitored point. Emphasis is given to rock mass with strata arranged in different spatial positions, resulting that the response in displacements and poropressures depends mainly on the set of mechanical and hydraulic parameters of the poroelastic rockmass.