Impermeabilização e Drenagem de Túneis T Soluções e Conseqüências Estruturais Tarcísio B. Celestino Themag Engenharia USP São Carlos 3/11/2009
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
1 - Generalidades
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
Sistemas ferroviários rios subterrâneos l/m 2.day (Haack( Haack,, 1991) curto longo Washington, D.C. 10.7 0.9 San Francisco 0.9 Atlanta 0.9 Boston 1.8 Baltimore 5.3 0.7 Buffalo 0.4 0.2 Melbourne 0.25 0.1 Antwerp 0.25 0.1
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
Critério rio de pré-inje injeção (Gustafson & Stille,, 2005)
2 Estimativas de Infiltração
Retroanálise de infiltração Túneis Zuquim profundidade -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 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 -12-13 -14-15 -16-17 -18-19 -20-21 -22-23 -24-25 -26-27 -28-29 -30-31 -32-33 -34-35 -36-37 -38-39 -40
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
Análise de Infiltração no Poço José Eusébio Drenagem Hipotética tica
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
Análise 3-D D de percolação Consideração de calhas drenantes 53,0 42,0 (N.A.) 24,0 17,0 0,0
Carga piezométrica Quadrante na elevação da areia -1800-1600 -1400-1200 -1000 Carga piezométrica (cm de c.a.) -800-600 -400-200 0 0 15 30 45 60 75 90 Alfa (º)
Carga Piezométrica Geratriz dos picos -2500-2000 -1500 Carga piezométrica (cm de c.a.) -1000-500 0 Cota (cm) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
cm.c.a. Cargas piezométricas
cm.c.a Pressão neutra
Direções gradiente
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
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 10-7 10-6 1,48 1,62 2,11 10-7 10-4 7,59 8,83 13,69 10-8 10-6 0,56 0,64 0,93 10-8 10-4 0,82 0,95 1,47 Figura 3 - Condições de contorno e gradientes para espessura 25cm
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 10-7 10-6 1,31 1,44 1,89 10-7 10-4 4,79 5,56 8,19 10-8 10-6 0,39 0,47 0,63 10-8 10-4 0,50 0,58 0,86 Figura 4 - Condições de contorno e gradientes para espessura 50cm
3 Economia com Conceito Single Shell
Revestimento single single shell Alemanha (túneis singelos, Pöttler & Klapperich,, 2001) Ano 1984-87 1981-83 1982 1987-89 Maciço S/M S/M M C Pressão (bar) 0.5 0.5 0.5 0.6 Espessura (cm) 37 25 39 40 Ano 1989-90 1987-89 1989-92 1981 199 1 Maciço C M M M C/ M Pressão (bar) 0.6 0 1.2 0.5 0 Espessura (cm) 25 40 55 30 35 C- argilito; M marga; S - arenito
Comentários de Pöttler & Klapperich 2001 10-15% 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
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
Comparação de espessuras totais de revestimento 60 50 e (cm) 40 30 20 10 Alemanha São Paulo 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 p (bar)
4 Ação da Água Conceitos e Problemas
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)
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
Perda de capacidade drenante de geotêxteis
Desenvolvimento de pressão de água sobre revestimento impermeável Solo residual de granito: instatâneo Argila rija: progressivo com tempo
Pressão em função da capacidade drenante do geotêxtil
Análise de túnel NATM em solo residual
Ruptura de revestimento secundário Metrô de Seoul
5 Ensaios de Comportamento de Mantas de PVC
Programa experimental Ribeiro & Bueno,, 2005 Compressão uniaxial de concreto com membrana de PVC e PVC + geotêxtil
Concreto e membrana perpendicular plana CP3 lab e CP5 lab 60 55 50 45 40 35 σ (MPa) 30 25 CP5 lab CP3 lab 20 15 10 5 0-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 d (mm)
Concreto e membrana perpendicular plana deslocamento adicional sigma x d5-d3 35 30 25 σ (MPa) 20 15 10 5 0-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 d (mm)
Membrana perpendicular ondulada CP7 CP7 12 10 8 σ (MPa) 6 4 2 0-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 d (mm)
Membrana perpedicular com vazios CP 17 CP17 12 10 σ (MPa) 8 6 4 2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 d (mm)
Deformabilidade relativa Membrana E rel (%) CV (%) 1 a 3 100 0.01 4 a 6 32,5 40.12 7 a 9 28,1 42.02 Membrana + geotêxtil 16 a 18 24.0 46.10 1 a 3 4 a 6 7 a 9 16 a 18 E rel (%) 100 17.3 3.7 4.3 CV (%) 0.01 72.00 33.16 65.41
Resistência relativa Variação de T máx Variação de T máx 500 450 450 Força ( kn ) 400 350 300 250 200 150 Força ( kn ) 400 350 300 250 200 150 100 100 50 50 0 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
Cisalhamento direto Cisalhamento de interface 60 50 40 25 kpa Tensão (kpa) 30 50 kpa 75 kpa 20 10 0 0,0 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)
6 Problemas de Desempenho de Mantas
Flutuação em poço revestido com membrana de PVC N.A 2 N.A 1 U
Reação do suporte primário sobre estrutura definitiva R R = U - P P R = Reação do concreto projetado primário U
Momento fletor na laje de fundo Possível comunicação de aqüíferos P P u 1 (NA1) u 2 (NA2) U 1 (NA1) U 2 (NA2)
Interação de longo prazo Primário manta secundário ε σ e > > 6MPa σ 6MPa σ 6MPa t
Ensaio de puncionamento ASTM D 4833 Haste Φ 8mm Condição não representativa
Ensaio para simular esmagamento localizado Força Deslocamento função do tempo F F Ponta plana Ponta esférica
Distribuição não uniferme de esforços Conseqüências para a estrutura Distribuição dependente do tempo
Arranjo do ensaio
Detalhe da ponta esférica
Evolução da deformação Ponta esférica
Evolução da deformação Ponta esférica
Evolução da deformação Ponta esférica
Ponta plana
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 0,00 0 500 1000 1500 2000 Tempo (s)
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)
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 0,00 0 500 1000 1500 2000 2500 Tempo (s)
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)
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 0 1000 2000 3000 4000 5000 Tempo (s)
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
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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