Mathematical and probabilistic modeling approach for estimation of surface settlements due to TBM tunneling

Abstract

Tuneladoras ou TBMs em solos tornaram-se a opção preferida para a construção de túneis, em áreas urbanas. Rápido processo de escavação, ambiente de trabalho em segurança e relativo baixo impacto na indução de recalques superficiais são os principais fatores para o seu emprego. Durante a escavação, existem poucas ferramentas que possam fornecer estimativas dos recalques devido ao desempenho da TBM. Outro aspecto a ser considerado é a variabilidade dos parâmetros geotécnicos e a estratigrafia do perfil do solo, ja que constituem uma importante fonte de incerteza para a avaliação dos recalques. Essas incertezas são consideradas usando métodos probabilísticos que geralmente exigem um esforço de cálculo significativo. A presente tese tem como objetivo propor uma metodologia para estimativa dos recalques surperficiais durante escavação com tuneladoras. Primeiramente, é apresentado um procedimento probabilístico para lidar com as incertezas das propriedades geotécnicas e do perfil estratigráco na formação de recalques superficiais induzidos pela construcão de túneis. Finalmente, é apresentado um procedimento matemático com o escopo de propor um modelo para estimativa de recalques surperficiais durante a contrucão de túneis com tuneladoras. Dito modelo considera a variabilidade dos parâmetros geotécnicos. A metodologia proposta é aplicada na recém construída extensão da Linha 5 do Metrô de São Paulo. A análise probabilística baseia-se na aplicação do método de estimativa pontuais híbrido o qual emprega um número reduzido de cálculos sem perder precisão. O procedimento também se baseia em análises de sensibilidade. Análises numéricas bidimensionais (2D) e tridimensionais (3D) são realizadas, utilizando um código comercial de elementos finitos. Três cenários probabilísticos baseados nos valores inferior, médio e superior do coeficiente de variação das variáveis de entrada foram considerados na análise da resposta do maciço para a Linha 5. Os resultados obtidos utilizando a metodologia proposta permite estimar o cenário probabilístico que melhor indique o coeficiente de variação ideal a ser adotado em cada variável de entrada. As propriedades elásticas do solo e a espessura da camada superior do solo tiveram a maior influência na geração de recalques superficiais. A abordagem matemática baseia-se no comportamento dos deslocamentos do maciço devido à pressão de suporte na face applicada pela TBM. O recalque superficial máximo e o volume perdido são considerados como as variáveis para descrever os recalques superficiais e a pressão de suporte na face da TBM como a variável para descrever a pressão de suporte interna do túnel. Um conjunto de modelos a partir da revisão de literatura são considerados e um critério de seleção é aplicado sobre esses modelos para escolher o modelo que melhor descreva a resposta desse sistema. Verificou-se que a curva não-linear de tensão-deformação proposta por Duncan & Chang (1970) fornece um bom ajuste dos dados tomados do estudo de caso. Os limites inferior e superior foram propostos neste modelo para consideração da variabilidade dos parâmetros geotécnicos e, finalmente, o significado físico dos parâmetros do modelo são proposto.