Risk analysis of underground structures in fractured rock masses

Nesta tese o autor estabelece um método sistemático de quantificação de risco em obras subterrâneas em maciço rochoso fraturado utilizando de maneira eficiente conceitos de confiabilidade estrutural. O método é aplicado a um caso de estudo real da caverna da Usina Hidrelétrica Paulo Afonso IV, UHE-PAIV. Adicionalmente, um estudo de otimização de projeto com base em risco quantitativo também é apresentado para mostrar as potencialidades do método. A estimativa do risco foi realizada de acordo com as recomendações da Organização de Auxílio contra Desastres das Nações Unidas, UNDRO, onde o risco pode ser estimado como a convolução entre as funções de perigo, vulnerabilidade e perdas. Para a quantificação da confiabilidade foram utilizados os métodos de aproximação FORM e SORM com uso de acoplamento direto e de superfícies de resposta polinomial quadráticas. A simulação de Monte Carlo também foi utilizada para a quantificação da confiabilidade no estudo de caso da UHE-PAIV devido à ocorrência de múltiplos modos de falha simultâneos. Foram avaliadas as ameaças de convergência excessiva das paredes, colapso da frente de escavação e a queda de blocos. As funções de perigo foram estimadas em relação à intensidade da ameaça como razão de deslocamento da parede ou volume do bloco. No caso da convergência excessiva, um túnel circular profundo foi estudado com o intuito de comparar a qualidade de aproximação da técnica numérica (FLAC3D com acoplamento direto) em relação à solução exata. Erros inferiores a 0,1% foram encontrados na estimativa do índice de confiabilidade ß. Para o caso da estabilidade de frente foram comparadas duas soluções da análise limite da plasticidade contra a solução obtida numericamente. Já no caso de queda de bloco, verificou-se que as recomendações de parcialização do sistema de classificação geomecânica Q incrementa consideravelmente a segurança da escavação conduzindo a padrões da prática mais avançada, por exemplo, de um ß de 2,04 para a escavação a seção plena até 4,43 para o vão recomendado. No estudo de caso, a segurança da caverna da UHE-PAIV foi estudada perante a queda de blocos utilizando o software Unwedge. A probabilidade de falha individual foi integrada no comprimento da caverna e o conceito de sistema foi utilizado para estimar a probabilidade de falha global. A caverna apresentou uma probabilidade de falha global de 3,11 a 3,22% e um risco de 7,22x10-3 x C e 7,29x10-3 x C, sendo C o custo de falha de um bloco de grandes dimensões. O bloco mais crítico apresentou um ß de 3,63. No estudo de otimização foram utilizadas duas variáveis de projeto, a espessura do concreto projetado e o número de tirantes por metro quadrado. A configuração ótima foi encontrada como o par [t, nb] que minimiza a função de custo total. Também, um estudo de sensibilidade foi realizado para avaliar as influências de alguns parâmetros no projeto ótimo da escavação. Finalmente, os resultados obtidos sugerem que as análises quantitativas de risco, como base para a avaliação e gestão de risco, podem e devem ser consideradas como diretriz da prática da engenharia geotécnica, uma vez que estas análises conciliam os conceitos básicos de projeto como eficiência mecânica, segurança e viabilidade financeira. Assim, a quantificação de risco é plenamente possível.In this thesis the author establishes a systematic method for quantifying the risk in underground structures in fractured rock masses using structural reliability concepts in an efficient way. The method is applied to the case study of the underground cavern of Paulo Afonso IV Hydroelectrical Power Station UHE-PAIV. Additionally, an optimization study was conducted in order to show a potential application of the method. The estimation of the risk was done according to the recommendations of the United Nations Disaster Relief Organization UNDRO where risk can be estimated as the convolution between the hazard, vulnerability and losses functions. FORM and SORM were used as approximation methods for the reliability quantification by means of Direct Coupling and Quadratic Polynomial Response Surfaces. A Monte Carlo simulation was also used to quantify the reliability of the cavern UHE-PAIV because of the presence of multiple failure modes in the numerical model. In this study 3 types of threads were evaluated: excessive wall convergence, face stability and wedge block fall. Hazard functions were built relative to the thread intensities such as wall convergence ratio or block size. In the case of excessive wall convergence a deep circular tunnel was studied meaning to compare the quality of the approximation of the reliability technique (FLAC3D with direct coupling) to the exact solution. Errors below 0.1% were found in the reliability index ß estimation. The reliability of the face stability was evaluated using two limit analysis solutions against the numeric estimation. For the block stability it was verified that the sequential excavation recommended by the Q system increases considerably the reliability of the excavation leading safety to modern standard levels, e.g. from a ß equal to 2.04 for a full section excavation to 4.43 for a partial excavation. In the case study of the UHE-PAIV, the reliability of the underground cavern was estimated using the commercial software Unwedge. The probability of failure of individual blocks was integrated along the length of the cavern and the concept of structural system was used to estimate the global probability of failure. The cavern presented a probability of failure of 3.11% to 3.22% and a risk of 7.22x10-3 x C and 7.29x10-3 x C - where C is the cost of failure of a large block. The critical individual block showed a ß equal to 3.63. The optimization was performed considering two design variables − liner thickness and number of bolt per square meter. The optimal design was found as the pair, [t, nb] which minimizes the total cost function. Also, a sensibility analysis was conducted to understand the influence of some parameters in the location of the optimal excavation design. Concluding, the results obtained here suggest that the quantitative risk analyses, as a base for the risk assessment and management, can and must be considered as a north for the practice of geotechnical engineering owing that these analyses reconcile the basic concepts of mechanical efficiency, safety and financial feasibility. Thus, risk quantification is fully affordable