Behavior of the excavation face on shallow tunnels

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2016.As obras subterrâneas têm sido amplamente utilizadas desde tempos antigos na mineração, controle de enchentes, abastecimento de água e transporte. Os túneis são essenciais para o desenvolvimento das grandes cidades, fazendo uma economia do tempo e consumo da energia. Embora os benefícios destas obras, a sociedade pode não ter uma aceitação favorável ante elas, pelo fato dos numerosos acidentes que têm acontecido no mundo inteiro. Um dos principais tipos de ruptura que ocorrem em túneis rasos são aquelas provenientes da instabilidade da face de escavação, daí a necessidade de estudar este fenômeno. A metodologia deste trabalho foi desenvolvida empregando métodos analíticos e numéricos. Primeiramente foi realizada uma revisão bibliográfica dos métodos analíticos existentes na literatura, destinados à avaliação da estabilidade da face de escavação. Determinou-se o método de Mollon et al. (2009), o qual utiliza a análise limite da Teoria da Plasticidade, como o mais conveniente para uma análise preliminar deste fenómeno. As teorias de Kirsch de 1898 também foram empregadas neste trabalho para fazer uma validação do modelo inicial proposto. Os métodos numéricos foram empregados mediante o software de elementos finitos ABAQUS 3D®, que permite diferentes geometrias, além da presença de suporte e de perfis geotécnicos complexos. Os modelos iniciais consideraram um túnel de 6 metros de diâmetro escavado a seis profundidades diferentes num solo homogêneo, visando a avaliação da necessidade de suporte, do avanço admissível e da pressão necessária para estabilização da face. Em seguida, foi levada em conta a presença de poços antigos que eventualmente poderiam estar no caminho da escavação. Também foi avaliada a nova pressão de face para manter a segurança da escavação com estes imprevistos durante a execução do túnel. Os parâmetros definidos nas análises foram baseados nas características típicas de solos rasos, com exceção de uma análise preliminar que considerou aumento da coesão do solo para avaliar até que condições o túnel é autoportante. Com o emprego dos métodos numéricos foram determinadas as pressões a serem aplicadas na face de escavação para que esta seja estável, tendo em conta a variação da cobertura do túnel.Underground works have been widely used since ancient times in mining, in flood control, water supply and transportation. Tunnels are essential for the development of large cities, making a saving of time and energy consumption. Despite benefits of these works, society may not have a favorable acceptance with them, because of numerous accidents that have happened worldwide. One of the major types of collapses that occurs in shallow tunnels are those arising from the instability of the excavation phase, hence the need to study this phenomenon. The methodology of this study was developed using analytical and numerical methods. First, it was carried out a literature review of the existing analytical methods for the assessment of the stability of the excavation face. It was selected the method of Mollon et al. (2009), which uses a limit analysis of Plasticity Theory, as the most convenient one for a preliminary analysis of this phenomenon. There were also used Kirsch’s theories 1898 to assess the initial model proposed. Numerical methods were employed using the ABAQUS 3D® Finite Element software, which allows different geometries, as well as the presence of geotechnical support and complex profiles. The first models considered a six-meter diameter tunnel excavated in six different depths on homogeneous soil, in order to evaluate support need, permissible advance and the pressure needed to stabilize the face. Later, it was taken into account the presence of old wells, which could eventually be in the excavation line. It was also evaluated the new tunnel face pressure to assure excavation safety with these contingencies during tunneling. The parameters defined in the analyses were based on typical characteristics of shallow soils, with the exception of a preliminary analysis that considered an increase in soil cohesion in order to evaluate to what extend the tunnel is self-sustaining. The use of numerical methods allowed determining the pressures that should be applied at the excavation phase so that it is stable, taking into consideration the variation of the tunnel cover