Experimental Study and PIV Analysis of Cavity Collapse Post-Tunnelling in Coupled Hydro-Mechanical State

Resumo Técnico: Estudo Experimental e Análise PIV de Colapso de Cavidade Pós-Tunelamento em Estado Hidromecânico Acoplado

Definição do Problema
A rápida urbanização tem exigido extensas operações de tunelamento em rochas fracas e solos moles, frequentemente próximas a fundações existentes e cavidades geológicas pré-existentes. Em regiões como Chengdu, caracterizadas por estratos heterogêneos de seixos e pedregulhos, as operações de tunelamento enfrentam riscos significativos de perda de terreno, defeitos no revestimento e colapso repentino da superfície. Esses riscos são exacerbados por condições hidromecânicas acopladas, incluindo a infiltração proveniente de chuvas ou vazamentos de tubulações, que podem enfraquecer a estrutura do solo, reduzir a tensão efetiva e desencadear a migração progressiva de cavidades. Embora modelos gaussianos e elásticos sejam comumente usados para prever a perda de terreno, sua confiabilidade diminui na presença de cavidades, particularmente quando envolvem mecanismos de recalque retardado e colapso súbito. Há uma necessidade crítica de compreender como a geometria da cavidade, a posição e as interações hidráulicas influenciam a evolução do arco de solo, a migração de partículas e a deformação superficial.

Metodologia
O estudo empregou uma abordagem de testes de modelo físico combinada com Velocimetria de Imagem de Partículas (PIV) para simular a resposta do terreno induzida pelo tunelamento sob condições hidromecânicas acopladas.

• Escalonamento do Modelo: Com base no teorema de Buckingham Pi, um modelo de escala geométrica de 1:25 foi construído para representar a Linha 18 do Metrô de Chengdu, utilizando uma abordagem de similaridade distorcida para manter os mecanismos dominantes de interação solo-estrutura.
• Materiais: O terreno do modelo consistiu em areia de sílica padrão de Chengdu (D50 = 0,6 mm) para simular estratos de seixos e pedregulhos. O suporte do túnel foi simulado usando uma bolsa de PVC flexível cheia de água para induzir perda de terreno controlada (razões de perda de volume de 0% a 7,08%).
• Simulação de Cavidade: Cavidades subsuperficiais foram modeladas usando bolsas de polietileno/nylon transparentes (150 mm de diâmetro) posicionadas na coroa do túnel (bc=0), deslocadas (bc=200 mm) ou em combinação. O colapso instantâneo da cavidade foi simulado via ruptura rápida da bolsa de ar.
• Carregamento Hidromecânico: O sistema incorporou uma configuração de gotejamento controlado para simular a infiltração induzida por chuva (2,25–3,0 mm/h) e um sistema de vibrador para aplicar carregamento dinâmico de superfície escalonado (para 20 N, 30–50 Hz) representando vibrações de tráfego.
• Medição: Imagens de alta resolução (Canon EOS 90D) capturaram imagens sequenciais para análise PIV, permitindo a visualização de campo total de deslocamento, velocidade e deformação de partículas. Os testes foram conduzidos em três profundidades de cobertura (H = 2D, 3D e 4D) sob condições secas e de infiltração.

Principais Contribuições e Resultados
O estudo quantificou a influência da presença, localização e tamanho de cavidades, bem como das condições hidráulicas, no recalque induzido pelo túnel e nos mecanismos de colapso:

1. Amplificação de Recalque e Assimetria: A presença de cavidades amplificou significativamente as deformações superficiais e subsuperficiais em comparação com as condições sem cavidade. Cavidades localizadas na coroa (bc=0) e configurações de cavidades combinadas produziram os maiores recalques. Embora os vales de recalque geralmente seguissem distribuições gaussianas nos casos sem cavidade, a presença de cavidades distorceu esses perfis, criando vales mais agudos e assimétricos que se deslocaram em direção à localização da cavidade.
2. Dependência da Profundidade: Túneis rasos (H=2D) exibiram a maior sensibilidade à perda de terreno e à presença de cavidades, mostrando as maiores magnitudes de recalque. Túneis mais profundos (H=4D) mostraram redução na deformação superficial devido ao confinamento do sobrecarga, porém a distorção do vale de recalque induzida pela cavidade persistiu.
3. Efeitos Hidráulicos: A entrada de água acelerou o rearranjo de partículas e reduziu o tempo para o colapso (tc). Sob condições de infiltração, as velocidades centrais das partículas aumentaram significativamente (até 0,25 m/s para cavidades combinadas), e o mecanismo temporário de arco de solo foi desestabilizado, levando a uma progressão mais rápida do início da formação da cavidade até o colapso final.
4. Razão de Área da Cavidade (CAR) e Dinâmica de Colapso: O estudo identificou uma Razão de Área de Cavidade (CAR) crítica de aproximadamente 0,3. Além desse limiar, o tempo de colapso diminuiu rapidamente e a velocidade de colapso aumentou exponencialmente. A relação entre CAR e a velocidade de colapso mostrou uma forte correlação (R²=0,88), sugerindo que a CAR é um preditor confiável de instabilidade.
5. Estrutura Preditiva Proposta: Os autores introduziram uma profundidade de cavidade efetiva ($H_c'$) e uma formulação de recalque modificada incorporando a CAR. Esta estrutura considera a posição da cavidade, o tamanho e a profundidade do túnel, fornecendo um método para prever a magnitude do recalque e o potencial de falha dentro de um contexto unificado de interação solo-estrutura (SSI).
6. Visualização PIV: A análise PIV revelou a evolução da zona perturbada e do arco de deslocamento. Em casos secos e sem cavidade, um arco de deslocamento estável foi formado. No entanto, as cavidades interromperam este arco, expandindo a zona perturbada. Sob infiltração, o mecanismo de arco foi amplamente ausente, com o fluxo de partículas tornando-se mais caótico e rápido, confirmando o papel crítico da água na aceleração da falha.

Significância
O artigo enfatiza que o recalque retardado e o colapso súbito durante o tunelamento não são governados apenas pela perda de terreno, mas são o resultado de interações complexas entre a geometria da cavidade, a profundidade do túnel e o carregamento hidráulico. Os achados ressaltam a necessidade de integrar parâmetros de cavidade (especificamente CAR e profundidade efetiva) e efeitos hidráulicos em algoritmos preditivos. Ao estabelecer uma ligação quantitativa entre as características da cavidade e o tempo/velocidade de colapso, o estudo fornece uma base para melhorar a previsão de perda de terreno, a avaliação de estabilidade de túneis e o design de medidas de mitigação para construção em estratos granulares fracos, como os encontrados em Chengdu. A pesquisa destaca que ignorar os mecanismos induzidos por cavidades pode levar à subestimação dos riscos de deformação superficial, particularmente em túneis rasos sujeitos a carregamento de tráfego e infiltração.