Túneis e Obras Subterrâneas Susana Prada http://www.uma.pt/sprada/ Password: TOS
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Túneis e Obras SubterrâneasSusana Prada
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Planeamento da disciplina
• Aulas TP: 1,5h/semana
• Trabalho de
Campo: 1h/sem (4 saídas campo)
• Visita ao LREC – ensaios laboratoriais
• Visita a uma galeria de captação de água• Visita à EEM – Fins Múltiplos dos Socorridos
• Caracterização geotécnica de maciços rochosos
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Programa
• Estudos geológicos e geotécnicos nas fases do projecto ;
• Características geotécnicas dos maciços com influência no planeamento e projecto de túneis (geologia, descontinuidades, condições hidrogeológicas,
características mecânicas do material rocha e do maciço
rochoso);
• Classificações Geomecânicas (Bieniawski, Barton etc.);
• 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., (1986) Noções de Geologia de
Engenharia – Obras subterrâneas (cx 10)
• Rodrigues, C., Grov, E., Prada, S., (2002)‐Tunneling in Volcanic Environment – Experiences
from projects in Madeira Island, Iceland and Faroe
Islands. In:EUROCK2002 ‐ International Symposium on Rock Engineering for Mountainous
Regions. Publicações da Sociedade Portuguesa de
Geotecnia: 643
‐655.
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Avaliação
• Avaliação : 30% do total da UC
• Trabalho: 17 Junho (10%)
• Frequência: 15 Junho (20%)
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Geotecnia = Geologia de
Engenharia + Mecânica dos Solos + Mecânica das Rochas
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Geologia de Engenharia ou geologia aplicada à engenharia
• É a ciência que se ocupa, sobretudo, da aplicação dos conhecimentos das ciências
geológicas às obras de engenharia civil• Domínios de intervenção: fundações de
edifícios; túneis; barragens; aterros e desaterros; pontes; viadutos; estradas; aeroportos; ordenamento do território; procura
de matérias primas e recursos naturais, etc.
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O âmbito da geologia de Engenharia:
• Definição da geomorfologia, estrutura, litologia e
características hidrogeológicas das formações geológicas;
• Caracterização fisico‐mecânica, 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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Maciço Rochoso
• É um conjunto de BLOCOS DE ROCHA
justapostos e articulados• Blocos de rocha = matriz rochosa = material
rocha
=
rocha
intacta
• Descontinuidades = superfícies que limitam os blocos de rocha (planos de origem mecânica ou sedimentar com resistência à tracção
muito baixa ou nula)
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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 e construção da cada empreendimento, visando, no final, o
zonamento geotécnico dos maciços interessados pelas diferentes obras.
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Zonamento geotécnico
• Entende‐se por zonamento geotécnico a
divisão do maciço rochoso em várias unidades de volume, apresentando cada uma delas uma certa homogeneidade e individualidade
quanto aos factores que caracterizam, sob o
ponto de vista geotécnico, o maciço.
• Usam‐se, em geral, três ou quatro unidades ou zonas geotécnicas, ZG.
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Características mais visadas com o
estudo geológico e geotécnico dos maciços
• Deformabilidade
•
Resistência à compressão• Permeabilidade
•
Estado
de
tensão
original
(no
caso
de
obras
subterrâneas profundas)
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Tarefas de geologia de engenharia em
cada
uma
das
fases
de
um
empreendimento
Fase do
projectoEstudoPrévio
Ante
ProjectoProjecto Construção Funcionamento
Estudos
Geológicos
e
Geotécnicos
Reconheci‐
mento
Campanha
preliminar
de
prospecção
Campanha
complemen‐
tar de
prospecção
e ensaios
Acompanha‐
mento da
obra e
cartografia geológica no
caso de túneis
Interpretação
das
medições
com os equipa‐mentos de observação do
comportamento
1. Estudo Prévio ou de Viabilidade2. Anteprojecto ou Projecto Base3. Projecto ou Projecto de Execução
4. Construção ou Execução da Obra5. Funcionamento ou Serviço da Obra
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A geologia de engenharia e os túneis
• Sendo os maciços rochosos e ou terrosos o meio
em que se insere o túnel, o estudo destes maciços é o factor principal a considerar. A geologia de
engenharia desempenha um papel fundamental quer no planeamento, quer no projecto e ainda na
construção:• Na fase de planeamento, na escolha do traçado
face às características das formações geológicas
interessadas; segue‐se a elaboração do programa de prospecção e ensaios; na fase de obra, a cartografia geológica, indica as condições naturais
do maciço que nem sempre são as previstas, propondo alterações ao projecto.
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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 x
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 zonamentogeotécnico
5. Recomendações para os métodos de cálculo da estrutura subterrânea (escavação e sustimentos)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
• Planificação de
investigações para a fase
seguinte
• 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
Investigações in situ ‐ Sondagens espaçadas p/ determinar campanha de sondagens‐ Geofísica à superfície
Interpretação geológico‐
geotécnica preliminar‐ elaboração de corte um geológico
interpretativo pelo eixo do túnel
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Foto‐interpretação• Escalas 1:20.000 a 1:10.000
• Recomendável fotos a cores
• Localização dos vários tipos de rocha; aspectos estruturais dos maciços como orientação dos estratos, falhas, etc., zonas de antigos escorregamentos, características da drenagem da zona, humidade dos solos
OBSERVAÇÕES
• Técnicas rápidas e desenvolvidas, de baixo custo• Necessário verificação no campo apesar de reduzir, em
geral, as tarefas de reconhecimento directo
• Limitações em zonas cobertas de vegetação
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Cortes geológico‐geotécnicos
• Escalas de estudos prévios 1:10.000‐1:25.000
• Escalas do projecto 1:2.000‐1:500• 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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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
geomecânicaOBSERVAÇÕES
• Pode advertir sobre problemas existentes e transmitir
experiências
• A informação está sujeita à acessibilidade e
disponibilidade
dos
dados
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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 asustentação, escavação 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
‐ Classificações geomecânicas‐ Propriedades geomecânicas‐ Recomendações para o sustimentoe escavação
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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 )
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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 importante
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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• É obtido a partir dos testemunhos de
sondagens• Baseia‐se na percentagem de recuperação de
tarolos com
comprimento
superior
a
10
cm:
somatório dos tarolos/comprimento total furado em cada 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
• Ensaio de Lugeon (realizado no interior de
sondagens, a partir da injecção de água, radialmente, sob pressão. Permite conhecer a
condutividade hidráulica do maciço, k)
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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
reaisAuscultação ‐ Instrumentação geotécnica
Controlo de qualidade ‐ Ensaios de controlo do tratamento
Assistência técnica‐ Acompanhamento e controlo de
execução‐ Soluções construtivas e
tratamentos do terreno