Por H. Castellvi, X. Torelló e A. Denia
A metodologia permite uma simulação simplificada das juntas ao atribuir propriedades ortotrópicas a um elemento de placa. Ela foi aplicada com sucesso no lote S1S2 da HS2 para o projeto dos segmentos especiais nas conexões. Os dados de monitoramento e as observações em campo confirmaram a precisão dos cálculos e a robustez do projeto.
As estruturas de túneis são intrinsecamente dotadas de juntas, principalmente no caso de revestimentos segmentados, em que as juntas exercem influência determinante sobre o comportamento longitudinal e a distribuição de tensões. Modelos tradicionais de elementos finitos frequentemente negligenciam essas juntas, presumindo respostas estruturais contínuas. No entanto, essa simplificação pode não ser segura em cenários complexos, como passagens transversais ou passagens inferiores, nos quais a resposta das juntas controla a redistribuição de cargas e o desempenho estrutural. Além disso, nessas situações, os deslocamentos tendem a se acumular como deslocamentos diferenciais entre segmentos, que devem ser avaliados durante o projeto para evitar falhas na impermeabilização e danos estruturais.
Para enfrentar esses desafios, foi adotada uma metodologia inovadora que simula com precisão as juntas transversais em modelos geotécnicos de elementos finitos usando o software PLAXIS 3D da Seequent.
Abordagem de propriedades reduzidas de casca (Castellvi et al., 2023): as juntas transversais são modeladas por elementos de placa com rigidez reduzida à flexão, ao cisalhamento radial e à torção. As juntas longitudinais, para simplicidade do modelo e robustez, foram contabilizadas utilizando a inércia equivalente de Muir-Wood. Essas propriedades ortotrópicas são ajustadas por meio dos coeficientes de redução RM, RQ e RT.
Figura 1: geometria das placas que simulam as juntas transversais e formulação para derivar os parâmetros ortotrópicos dessas placas. Fonte: Castellvi et al. 2023.
Onde o subscrito j se refere à “junta”, d é a espessura dos segmentos e E e G são o módulo de elasticidade e a rigidez ao cisalhamento do concreto. Assim, considerando os parâmetros modificados acima, as rigidezes normais (E1d e E2d) e as rigidezes ao cisalhamento circunferencial (G23d) permanecem inalteradas; as rigidezes à flexão (E1d3/12 e E2d3/12) são reduzidas por um fator RM; e as rigidezes ao cisalhamento radial (G13d) e à torção (G12d) na junta são reduzidas pelos fatores RS e RT, respectivamente. Finalmente, a rigidez à torção (G12d3/12) é combinada com outras variáveis e é reduzida por um fator RM·RT. A formulação acima foi extraída de Castellvi et al., 2023.
Este método preserva a elasticidade linear e a simplicidade geométrica, mas também permite representar de forma realista o escalonamento e a rotação nas juntas transversais.
Estudo de caso: Aplicação da metodologia para o projeto de segmentos especiais da High Speed Two
A High Speed 2 (HS2) é uma nova ferrovia atualmente em construção entre Londres e Birmingham. Os lotes S1 e S2 incluem 22 km de túneis paralelos sob Londres.
Neste projeto, as estruturas temporárias típicas ao redor das aberturas e os grandes collars das passagens transversais foram substituídos por segmentos especiais inovadores (Torelló et al. 2020). Isso melhorou a logística do interior do túnel e reduziu as emissões de carbono ao diminuir as estruturas permanentes das passagens transversais. Esses elementos de concreto armado incorporavam enquadramentos de aço, barras de protensão e pinos de cisalhamento, sendo capazes de resistir a elevadas tensões circunferenciais sem a necessidade de suportes internos temporários. Essa solução não apenas melhorou a logística da construção, como também recebeu reconhecimento no NCE Tunnelling Awards.
Esses segmentos inovadores exigiram um projeto preciso, que incluiu modelos tridimensionais de elementos finitos solo-estrutura nas aberturas.
A metodologia seguida pela TYPSA está resumida abaixo:
- 1) A Abordagem de propriedades reduzidas de casca é usada para simular dois comportamentos extremos com o PLAXIS 3D:
- – Modelo de tubo rígido: em que a placa delgada que simula a junta transversal é caracterizada pela formulação acima, considerando RM=RQ=RT=1 (ou seja, túnel contínuo, sem efeitos de juntas).
- – Modelo de tubo com juntas: em que RM=RQ=RT=10.000 (juntas transversais totalmente flexíveis permitindo o deslocamento independente dos anéis). Se for observada tensão relevante em uma junta, a área que está sob tensão deve ser manualmente desconectada, e o modelo deve ser processado novamente.
- 2) Esses modelos definem limites superiores e inferiores para forças internas e deslocamentos.
- 3) Um modelo estrutural usando software como o SAP2000©, com conectores não lineares e análise em etapas, é calibrado dentro desses limites para garantir um comportamento realista dos segmentos especiais. Esse processo permite uma calibração precisa do modelo estrutural. No modelo estrutural, é possível desenvolver uma representação mais detalhada da forma específica dos segmentos, se necessário, a critério do projetista.
- 4) Verificação dos elementos estruturais nos estados-limite último (ELU) e de serviço (ELS). Ressalta-se que limitar o escalonamento entre segmentos adjacentes à distorção máxima da junta pode ser uma das condições mais exigentes.
Para este projeto, foi usada uma metodologia de limites superior e inferior; no entanto, valores intermediários para cada um dos fatores podem ser adotados caso haja testes disponíveis ou em modelos de análise inversa.
Figura 2: calibração do modelo estrutural com base nos limites superior e inferior definidos pelos resultados dos modelos geotécnicos. Fonte: Castellvi et al. 2023.
Tanto o projeto dos segmentos especiais quanto a metodologia inovadora do projeto foram aplicados com sucesso em diversas condições desafiadoras nesta iniciativa, como em grandes conexões zenitais de ventilação de até 28 m² (Hoerrle et al. 2024) ou em uma grande conexão lateral com caverna (Torelló et al. 2025). No entanto, sua aplicação é especialmente relevante nas 20 passagens transversais em que o congelamento do solo foi empregado para estabilização do terreno, introduzindo pressões significativas induzidas pelo gelo sobre os revestimentos dos túneis.
Para avaliar as pressões críticas induzidas pelo congelamento, foi usada uma combinação de testes laboratoriais, simulações numéricas e monitoramento em campo. Os detalhes podem ser encontrados em Torelló et al. 2025.
Os dados de monitoramento confirmaram o alto nível de precisão dos modelos de elementos finitos, validando as hipóteses de modelagem. Os resultados do modelo foram consistentes com os deslocamentos observados, mesmo no caso do congelamento, em que o deslocamento máximo registrado (37 mm nos segmentos especiais da passagem transversal 31) permaneceu dentro dos limites de projeto.
Figura 3: deslocamentos monitorados na CP31 após congelamento (em preto) e perfil deformado do túnel após modelos geotécnicos. O perfil deformado é a envoltória dos resultados do modelo de tubo rígido (linha verde) e do modelo de tubo com juntas (linha roxa).
Anel da abertura (à esquerda), anel adjacente à abertura (ao centro), terceiro anel a partir da abertura (à direita). Fonte: Torelló et al. 2025.
Conclusão
A metodologia apresentada usando o PLAXIS 3D foi um ponto-chave para um projeto robusto e preciso dos segmentos em condições complexas de conexão. A metodologia forneceu previsões precisas, otimizou os projetos estruturais e melhorou a segurança durante a construção. Esses casos reais servem como uma referência valiosa para futuros projetos de construção de túneis sob condições complexas de carga, enfatizando o poder de uma modelagem inovadora para superar desafios de engenharia de subsuperfície.
Agradecimentos
Os autores gostariam de expressar sua gratidão à equipe da Züblin, que liderou o projeto desses segmentos especiais.
Este estudo de caso de sucesso é publicado com a permissão da HS2 Ltd. Os autores gostariam de agradecer à Skanska-Costain-STRABAG Joint Venture (SCS) pela autorização para publicar as informações apresentadas neste estudo de caso de sucesso.
Fontes
Esse estudo de caso de sucesso concentra-se na metodologia usada para simular as juntas nas conexões de túneis. Ele se baseia principalmente em trechos de dois artigos, que podem ser acessados aqui:
Torelló et al. 2020: https://learninglegacy.hs2.org.uk/document/special-segment-design-for-cross-passages-and-shaft-passages/
Castellvi et al. 2023: https://www.issmge.org/uploads/publications/51/119/NUMGE2023-202.pdf
Torelló et al. 2025: https://www.taylorfrancis.com/reader/download/806b4474-408a-498b-93aa-39bc375aebed/chapter/pdf?context=ubx
Além disso, você pode consultar os seguintes artigos para obter mais informações:
Hoerrle, D.; Acosta, F.; Neher, H. & Torelló, X. 2024. High Speed 2: Innovative dauerhafte Querschlagabfangung mit Tübbingen. Tunnelbau 2024: 110-149. Ernst & Sohn.