Túneis e Obras SubterrâneasSusana Prada

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Programa

• Estudos geológicos e geotécnicos nas diferentes fases do projecto ;

• Características geotécnicas dos maciços com influência no planeamento e projecto de túneis;

• Classificações Geomecânicas;

• Zonamento Geotécnico e definição do tipo de sustimento;

• Cartografia geológica e geotécnica de túneis durante a fase de construção

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Bibliografia

• L. González de Vallejo, M. Ferrer, L. Ortuño, C. Oteo (2002) Ingenieria Geológica

• Costa Pereira, A.S., (1985) Noções de Geologia de Engenharia no Planeamento e Projecto de Túneis em Maciços Rochosos

• Rodrigues, C., Grov, E., Prada, S., (2002) Tunneling in Volcanic Environment – Experiences from projects in Madeira Island, Iceland and Faroe Islands.EUROCK2002 - International

Symposium on Rock Engineering for Mountainous Regions.

Publicações da Sociedade Portuguesa de Geotecnia: 643-655.

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Geotecnia (tem como objecto de estudo os materiais geológicos

da crosta terrestre)

= Geologia de Engenharia

+ Mecânica dos Solos

+Mecânica das Rochas

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O âmbito da geologia de Engenharia:

• Definição da estrutura, litologia e características hidrogeológicas das formações geológicas;

• Caracterização física, química e mineralógica dos materiais geológicos;

• A definição do comportamento mecânico dos maciços rochosos e terrosos e respectivas classificações;

• A previsão da evolução dos maciços durante a vida das obras e a definição de medidas apropriadas para melhorar ou manter as características iniciais dos maciços

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A geologia de engenharia e os túneis

Sendo os maciços o meio em que se insere o túnel, o estudo destes é o factor principal a considerar.

1. Na fase de planeamento: escolha do traçado face às características das formações geológicas interessadas;

2. segue-se a elaboração do programa de prospecção e ensaios, o tratamento dos dados e fornecimento da informação necessária ao projecto de acordo com as condições do maciço;

3. na fase de obra: a cartografia geológica, indica as condições naturais do maciço, que nem sempre são as previstas, propondo alterações ao projecto. 6

Metodologia da geologia de engenharia

• Os estudos geológicos e geotécnicos devem ser programados por fases, utilizando métodos de reconhecimento progressivamente mais sofisticados e dispendiosos, acompanhando as fases de execução do projecto, visando, o zonamento geotécnico dos maciços interessados pelas diferentes obras.

• Zonamento geotécnico é a divisão do maciço rochoso em várias unidades de volume, apresentando cada uma delas uma homogeneidade e individualidade quanto aos factores geotécnicos que caracterizam o maciço.

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Tarefas de geologia de engenharia em cada uma das fases de um empreendimento

Fase do projecto

EstudoPrévio

Ante Projecto

Projecto Construção Funcionamento

Estudos Geológicos

e Geotécnicos

Reconheci-mento

Campanha preliminar de prospecção

Campanha complementar de prospecção e ensaios

Acompanha-mento da obra e cartografia geológica, no caso de túneis

Colaboração na interpretação das medições com os equipamentos de observação do comportamento

1. Estudo Prévio ou de Viabilidade: RELATÓRIO PRELIMINAR2. Anteprojecto: ZONAMENTO GEOTÉCNICO3. Projecto: Pormenorização do ZONAMENTO GEOTÉCNICO4. Construção: RELATÓRIO GEOLÓGICO/GEOTÉCNICO FINAL5. Funcionamento ou Observação 8

Tipos de Túneis

• Rodoviários

• Ferroviários

• Hidráulicos

• Galerias de captação de água

• Explorações mineiras

• Aproveitamentos hidroeléctricos

• Armazenamentos subterrâneos

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Nomenclatura da secção tipo de um túnel:

• Hasteais

• Abóbada

• Soleira

• Diâmetro (H e L)

• Sobrescavação

• Recobrimento (pequeno < 2,5 diâmetro)

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Metodologia dos estudos geológicos e geotécnicos para túneis

1. Dados do projecto (traçado, secção, emboquilhamentos)

2. Condições geológicas, hidrogeológicas do traçado

3. Investigações geotécnicas (prospecção e ensaios)

4. Classificações geomecânicas e zonamento geotécnico

5. Recomendações para os cálculos da estrutura subterrânea (escavação e sustimentos/ dimensionamento do suporte)

6. Cartografia geológica e adequação do projecto às condições encontradas

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Fases e objectivos Tarefas Conteúdos

ESTUDO PRÉVIOS

• Reconhecimento geológico geral do traçado

• Identificação de riscos geológicos para a escavação do túnel

• Classificação geológico-geotécnica básica dos materiais

• Análise de alternativas de traçados

Recolha de informação existente

- Topografia, 1:25 000- Hidrologia e hidrogeologia- Cartas geológicas, 1:50 000- Túneis próximos- Sismicidade

Interpretação de fotografia aérea

- Fotografias a cores e a preto e branco, escalas 1:10 000 e 1:25 000

Reconhecimentos geológicos de superfície

- Geomorfologia e estabilidade de vertentes- Litologias- Falhas e estruturas tectónicas- Dados hidrogeológicos

Interpretação geológico-geotécnica preliminar

- elaboração de um corte geológico interpretativo pelo eixo do túnel

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Inventário de Túneis

• Tem por objectivo conhecer o comportamento de túneis da região, escavados em materiais similares às do túnel do projecto

• Dados a incluir: corte geológico, estrutura, classificação geomecânica

OBSERVAÇÕES

• Pode advertir sobre problemas existentes e transmitir experiências

• A informação está sujeita à acessibilidade e disponibilidade dos dados

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Corte geológico

• Escalas de estudos prévios 1:10.000 a 1:25.000

• O corte geológico pelo eixo do túnel é o principal documento geológico

OBSERVAÇÕES

• Técnicas muito desenvolvidas e imprescindíveis

• Relativamente económicas

• Sujeitas a incertezas em função da complexidade geológica e dos dados disponíveis

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Fases e objectivos Tarefas Conteúdos

ANTE-PROJECTO EPROJECTO

• Selecção do traçado e emboquilhamentos

• Estudo geológico-geotécnico detalhado

• Avaliação dos problemas geológico-geotécnicos e sua incidência na escavação

• Características geomecânicas dos materiais

• Recomendações para aescavação, suporte e tratamentos do terreno

Cartografia geológica-geotécnica

- Litoestratigrafia- Estrutura- Estações geomecânicas- Geomorfologia- Mapas à escala 1:2.000 – 1:500

Dados hidrológicos e hidrogeológicos

- Regionais e locais- Estimativa de caudais e pressões

Prospecção geotécnica

- Métodos geofísicos- Sondagens- Valas, poços e galerias- Ensaios de laboratório- Ensaios in situ

Interpretação geológica-geotécnica

- Zonamento geotécnico- Classificações geomecânicas- Recomendações para a escavação

e o sustimento

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Métodos de prospecção geotécnica utilizados na abertura de túneis

• Prospecção geofísica: métodos sísmicos, métodos eléctricos

• Prospecção mecânica: sondagens, valas ou trincheiras, poços e galerias

• Ensaios in situ: de deformabilidade, de permeabilidade e de resistência

• Ensaios em laboratório: Compressão uniaxial, triaxiais, resistência à tracção, desgaste em meio húmido (slake

durability test, indica a vulnerabilidade da rocha à

erosão)17

Prospecção geofísica

• Necessita comparação de resultados com outros dados de campo (sondagens, ensaios) e requerem uma adequada interpretação geológica

• Métodos eléctricos: estudam a resposta do terreno à propagação de correntes eléctricas. Detecção de fracturas, aquíferos e contactos litológicos

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Prospecção geofísica

• Sísmica de refracção: contacto rocha sã/meteorizada, ripabilidade, grau de fracturação

• Sísmica de reflexão: permite estudar a estrutura geológica em profundidade, falhas, dobras, contactos, tem elevados custos

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Prospecção mecânica

• Valas, sanjas ou trincheiras: permite a observação local das formações e colheita de amostras. Não ultrapassam 2m de profundidade, sendo utilizados em zonas de pequeno recobrimento e próximo dos emboquilhamentos

• Poços e galerias: utilizados nas zonas de emboquilhamento permitem o acesso directo ao maciço, recolha de amostragem e a execução de ensaios in situ. São utilizados em túneis de grande comprimento e/ou complexidade. Grande custo e demora

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Prospecção mecânica

• Sondagens: à rotação com coroa de tungsténio ou diamante. Permitem recolher amostragem

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Sondagens

• Investigar problemas geológico/estruturais, zonas

complexas ou mal conhecidas

• Obter dados de fracturação do maciço, cálculo do RQD

e recolher registos

• Descrição pormenorizada do registo da sondagem

• Obter amostras para ensaios

• Efectuar medições hidrogeológicas e ensaios

geotécnicos no seu interior

• Custos altos, procedimento lento e os acessos podem

ser uma condicionante importante22

LOCALIZAÇÃO: Emboquilhamentos, zonas geologicamente complexas, e sistematicamente ao longo do eixo do túnel

QUANTIDADE: é função da complexidade, espessura de recobrimentos, acessos, custos, etc. Como orientação:

• 1 sondagem cada 50 a 100m de traçado em zonas geologicamente complexas ou de litologia variável

• 1 sondagem cada 100 a 200m em zonas mais uniformes

• Nas zonas de emboquilhamento, mínimo de 2 sondagens

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RQD: Indica a qualidade do maciço rochoso

(estados de alteração e fracturação)

• É obtido a partir dos testemunhos de sondagens

• Baseia-se na percentagem de recuperação de taroloscom comprimento superior a 10 cm: somatório dos tarolos / comprimento total furado numa manobra x 100

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Determinação da percentagem de recuperação de amostra e do RQD

• Num maciço rochoso foi realizada uma sondagem à rotação com recuperação contínua de amostra através de um obturador com 2 m de comprimento. Numa das manobras em que a furação progrediu 1,5 m no terreno ficaram retidos no amostrador 8 pedaços de rocha e detectada perda de amostra de acordo com seguinte sequência: 0,35m; 0,25m; 0,20m; 0,05m; perda de amostra; 0,07m; 0,08m; 0,15m e 0,20.

• Relativamente a essa manobra qual a % de recuperação de amostra e respectivo RQD?

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Ensaios in situ

• Permeabilidade em maciços rochosos

• Ensaio de Lugeon: realizado no interior de sondagens, a partir da injecção de água, radialmente, sob pressão (mede-se o volume de água injectado àquela pressão). Permite conhecer a condutividade hidráulica do maciço.

Unidade: 1 Lugeon 1 Lugeon

Absorção de 1 L/min/metro de furo, durante 10 min, com a pressão de injecção de água de 1 MPa

Corresponde a um valor de K entre 1x10-5

e 2x10-5 cm/sConsidera-se um maciço impermeável quando K ≤ 1 Lugeon

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Ensaios in situ

• Resistência

• Martelo de Schmidt (permite calcular a resistência à compressão simples da rocha, σc)

• Índice de carga pontual (Point Load Test), também para determinar a resistência à compressão simples (σc= 23. Is) de fragmentos de rocha

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Ensaios in situ

• Deformabilidade• Placa de carga (no interior de galerias em rocha,

medem-se os deslocamentos resultantes da aplicação de cargas conhecidas)

• Ensaio dilatométrico (dentro de sondagens, obtém-se curvas tensão/deslocamento

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Fases e objectivos Tarefas Conteúdos

CONSTRUÇÃO

• Controlo geológico/geotécnico e auscultação

• Adequação do projecto às condições do terreno

• Medidas de controlo de instabilidades, percolações e tratamentos do terreno

Controlo geológico-geotécnico

- Cartografia geológica e geotécnica do interior do túnel- Adaptação do projecto às situações reais

Auscultação - Instrumentação geotécnica

Controlo de qualidade - Ensaios de controlo do tratamento

Assistência técnica- Acompanhamento e controlo de execução- Soluções construtivas e tratamentos do terreno

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