Impermeabilização e Drenagem Soluções e Conseqüências Estruturais

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Yago Pais Amarante
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1 Impermeabilização e Drenagem de Túneis T Soluções e Conseqüências Estruturais Tarcísio B. Celestino Themag Engenharia USP São Carlos 3/11/2009

2 1.Generalidades 2.Estimativas de infiltração 3.Economia com conceito single shell 4.Ação da água conceitos e problemas 5.Ensaios de comportamento de mantas PVC 6.Problemas de desempenho de mantas 7.Conclusões

3 1 - Generalidades

4 Diferentes critérios rios de infiltração l/m 2.day Alp Transit: 39g/km.sec 0.13 Suécia cia: : 2 l/min.100m 1.1 Noruega (rodovia)) 300 l/min.km 14 Metrô de São Paulo 1.0

5 Sistemas ferroviários rios subterrâneos l/m 2.day (Haack( Haack,, 1991) curto longo Washington, D.C San Francisco 0.9 Atlanta 0.9 Boston 1.8 Baltimore Buffalo Melbourne Antwerp

10.7 0.9 San Francisco 0.9 Atlanta 0.9 Boston 1.

6 Projeto ITA WG 12 Shotcrete for Rock Support,, 2004 The contributions from different countries illustrate well the widely different views on rock support design. This becomes especially evident when comparing sometimes the over-conservative cast in place concrete linings with what evidently is satisfactory support under similar conditions using shotcrete. There are many examples of thickness reduction from one meter down to 10 to 15 cm of shotcrete K. Garshol

This becomes especially evident when comparing sometimes the over-conservative cast in place concrete linings with

7 Critério rio de pré-inje injeção (Gustafson & Stille,, 2005)

8 2 Estimativas de Infiltração

9 Retroanálise de infiltração Túneis Zuquim profundidade

44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 1 0-1 -2-3 -4-5 -6-7 -8-9 -10-11

10 Permeabilidade de revestimentos de túneis (Celestino, 2001) Zuquim - W Zuquim - E Estacionamento 25 São Paulo Leste São Paulo Oeste Santa Cecilia Sé - São Bento Maria Maluf I-A Luminarias Maria Maluf A-I 20 Shotcrete Bolted cast iron with concrete Bolted cast iron Bolted concrete Toronto subway Greenwich Severn 15 Rotherwhite Blackwall (2) Clyde Blackwall (1) 10 PRR Hudson River Battery Hudson 0 1,00E-12 1,00E-11 1,00E-10 1,00E-09 1,00E-08 Permeability lining (m/sec) PRR East River Sarnia 5

concrete Bolted cast iron Bolted concrete Toronto subway Greenwich Severn 15 Rotherwhite Blackwall (2) Clyde Blackwall (1)

11 Análise de Infiltração no Poço José Eusébio Drenagem Hipotética tica

12 Drenagem Comprimento calhas: 0,4m No. calhas por quadrante: 6 Área contato concreto: 81% Área calhas: 19% Coeficientes de permeabilidade k (m/s) Argilas: 10-7 Areia (z=24,0m): 10-5 Concreto: 10-9

13 Análise 3-D D de percolação Consideração de calhas drenantes 53,0 42,0 (N.A.) 24,0 17,0 0,0

14 Carga piezométrica Quadrante na elevação da areia Carga piezométrica (cm de c.a.) Alfa (º)

15 Carga Piezométrica Geratriz dos picos Carga piezométrica (cm de c.a.) Cota (cm)

16 cm.c.a. Cargas piezométricas

17 cm.c.a Pressão neutra

18 Direções gradiente

19 Resultados de vazão q = 0,352 cm 3 /s (por( faixa de 15 o ) 0,56 l/m 2.dia (considerando( 25m abaixo N.A.) Q = 730 l/dia

20 Estimativa de infinfiltração túnel Concreto espessura 25cm Tabela 3 - Vazões para concreto com espessura 0,25m k concreto k solo Q ( l/m2.dia) (cm/s) (cm/s) Greide SUP Greide Metrô Greide INF H = 20m H = 24m H = 39m ,48 1,62 2, ,59 8,83 13, ,56 0,64 0, ,82 0,95 1,47 Figura 3 - Condições de contorno e gradientes para espessura 25cm

dia) (cm/s) (cm/s) Greide SUP Greide Metrô Greide INF H = 20m H = 24m H = 39m 10-7 10-6 1,48

21 Estimativa de infinfiltração túnel Concreto espessura 50cm Tabela 4 - Vazões para concreto com espessura 0,50m e 0,25m k concreto k solo Q ( l/m2.dia) (cm/s) (cm/s) Greide SUP Greide Metrô Greide INF H = 20m H = 24m H = 39m ,31 1,44 1, ,79 5,56 8, ,39 0,47 0, ,50 0,58 0,86 Figura 4 - Condições de contorno e gradientes para espessura 50cm

22 3 Economia com Conceito Single Shell

23 Revestimento single single shell Alemanha (túneis singelos, Pöttler & Klapperich,, 2001) Ano Maciço S/M S/M M C Pressão (bar) Espessura (cm) Ano Maciço C M M M C/ M Pressão (bar) Espessura (cm) C- argilito; M marga; S - arenito

24 Comentários de Pöttler & Klapperich % economia decorrene de conceito single shell Considerações discrepantes sobre carregamento no revestimento secudário rio: carregamento parcial a total Filosofia diferente de projeto: economia ainda mais significativa

25 Revestimentos single shell em São Paulo Túneis singelos (~ 6m de diâmetro) Ano: desde 1981 Maciço: argila rija e camadas de areia com nível n d água elevado Pressão: 0.5 to 2.0 bar Espessura total (concreto projetado): 20 to 25 cm

26 Comparação de espessuras totais de revestimento e (cm) Alemanha São Paulo p (bar)

27 4 Ação da Água Conceitos e Problemas

28 Problemas estruturais decorrentes da impermeablização com mantas Tipos de impermeabilização ão: Mantas PVC, HDPE (quebram( monolitismo) Bentonita (monolitismo garantido por barras passantes primário rio secundário rio) Projetadas (mantêm monolitismo)

29 Efeito da pressão de água no revestimento de túneis 2005) neis (Shin et al., Problema dependente do tempo Geotêxteis não tecidos perdem capacidade drenante (colmatação e compressão por carregamento) Papel do revestimento definitivo Pouca instrumentação de longo prazo Análises núméricas acopladas

30 Perda de capacidade drenante de geotêxteis

31 Desenvolvimento de pressão de água sobre revestimento impermeável Solo residual de granito: instatâneo Argila rija: progressivo com tempo

32 Pressão em função da capacidade drenante do geotêxtil

33 Análise de túnel NATM em solo residual

34 Ruptura de revestimento secundário Metrô de Seoul

35 5 Ensaios de Comportamento de Mantas de PVC

36 Programa experimental Ribeiro & Bueno,, 2005 Compressão uniaxial de concreto com membrana de PVC e PVC + geotêxtil

37 Concreto e membrana perpendicular plana CP3 lab e CP5 lab σ (MPa) CP5 lab CP3 lab d (mm)

38 Concreto e membrana perpendicular plana deslocamento adicional sigma x d5-d σ (MPa) d (mm)

39 Membrana perpendicular ondulada CP7 CP σ (MPa) d (mm)

40 Membrana perpedicular com vazios CP 17 CP σ (MPa) d (mm)

41 Deformabilidade relativa Membrana E rel (%) CV (%) 1 a a 6 32, a 9 28, Membrana + geotêxtil 16 a a 3 4 a 6 7 a 9 16 a 18 E rel (%) CV (%)

42 Resistência relativa Variação de T máx Variação de T máx Força ( kn ) Força ( kn ) Tipos de corpos de prova base 0º plano 0º ondulado 30º plano 30º ondulado 0º vazios 0 Tipos de corpos de prova base 0º plano 0º ondulado 30º plano 30º ondulado 0º vazios Membrana Membrana + geotêxtil

43 Cisalhamento direto Cisalhamento de interface kpa Tensão (kpa) kpa 75 kpa ,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 deslocamento (mm) τ = 5 + σtan34,3 (kpa)

44 6 Problemas de Desempenho de Mantas

45 Flutuação em poço revestido com membrana de PVC N.A 2 N.A 1 U

46 Reação do suporte primário sobre estrutura definitiva R R = U - P P R = Reação do concreto projetado primário U

47 Momento fletor na laje de fundo Possível comunicação de aqüíferos P P u 1 (NA1) u 2 (NA2) U 1 (NA1) U 2 (NA2)

48 Interação de longo prazo Primário manta secundário ε σ e > > 6MPa σ 6MPa σ 6MPa t

49 Ensaio de puncionamento ASTM D 4833 Haste Φ 8mm Condição não representativa

50 Ensaio para simular esmagamento localizado Força Deslocamento função do tempo F F Ponta plana Ponta esférica

51 Distribuição não uniferme de esforços Conseqüências para a estrutura Distribuição dependente do tempo

52 Arranjo do ensaio

53 Detalhe da ponta esférica

54 Evolução da deformação Ponta esférica

55 Evolução da deformação Ponta esférica

56 Evolução da deformação Ponta esférica

57 Ponta plana

58 Amostra 1 σ = 9,5 MPa (sombra) Diâmetro da esfera = 1.22cm Ensaio paralisado 3,00 Deformação Lenta Deslocamento (mm) 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0, Tempo (s)

59 σ = 6,7 MPa (sombra) Diâmetro da esfera = 1.22cm Amostra 2 Resultado Total do Ensaio 2,50 Deformação Lenta Deslocamento (mm) 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 Tempo (dias)

60 Amostra 2 s = 6,7 MPa (sombra) Diâmetro da esfera = 1.22cm Resultado Parcial do Ensaio (Inicio das Leituras) 2,50 Deformação Lenta Deslocamento (mm) 2,00 1,50 1,00 0,50 0, Tempo (s)

61 Amostra 3 σ = 9,8 MPa Diâmetro do cilindro = 1.00 cm 2,50 Resultado Total do Ensaio Deformação Lenta Deslocamento (mm) 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 Tempo (dias)

62 Amostra 3 s = 9,8 MPa Diâmetro do cilindro = 1.00 cm Resultado Parcial do Ensaio (Início das Leituras) Deslocamento (mm) 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Deformação Lenta Tempo (s)

63 7 - Conclusões Critério rio de infiltração ão: ponto ótimo entre operacionalidade e custos Vantagens de soluções tipo guarda-chuva chuva: menor exigência da estrutura e da impermeabilização Vantagens de sistemas de drenagem não continuos: monolitismopreservado e eliminação de carregamento indesejado sobre drenagem

64 Conclusões (cont.) Conseqüências estruturais do uso de mantas + geotêxteis: obrigatoriedade de consideração do primário rio (inconsistência de critérios rios), concentrações de solicitações de puncionamento, comprometimento da confiabilidade de longo prazo Importância do papel estrutural do revestimento definitivo

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