Installation-Delay Effects on Passive-Bolt Anchorage in Squeezing Railway Tunnels: An Analytical Framework for Support Transition and Cost Optimization

Profundamente sob a terra, onde as massas rochosas estão fraturadas e sob imensa pressão, construir um túnel é uma negociação delicada entre a engenharia humana e a força geológica. Quando os engenheiros escavam através de terrenos de tal natureza "espremedora" (squeezing), a rocha não simplesmente fica parada; ela se deforma lentamente para dentro, tentando fechar o espaço criado pela escavação. Para manter o túnel aberto, os construtores dependem de um sistema de suporte imediato, envolvendo tipicamente camadas de concreto projetado e parafusos de aço perfurados na rocha para mantê-la unida. Um desafio fundamental neste trabalho é o tempo. No momento em que a face de um túnel é exposta, a rocha começa a relaxar e a se mover. Se o sistema de suporte não for instalado instantaneamente, a rocha se move ainda mais antes que os parafusos e o concreto possam agir. Esse atraso altera a forma como o sistema de suporte se comporta, muitas vezes de maneiras que os cálculos padrão não preveem. Os engenheiros precisam saber exatamente quando um sistema simples de parafusos curtos e concreto falhará e quando devem mudar para um sistema de ancoragem mais robusto e profundo para evitar o colapso, tudo isso mantendo a viabilidade financeira do projeto.

Em um novo estudo, pesquisadores desenvolveram uma estrutura prática para responder a essas questões para túneis de ferrovias de alta velocidade, observando especificamente como os atrasos na instalação afetam o desempenho de tirantes de rocha passivos. A equipe combinou um método analítico bem conhecido para prever o movimento do terreno com um modelo econômico detalhado para simular o que acontece quando o suporte não é aplicado imediatamente. Eles focaram em um cenário onde a qualidade da rocha é baixa e o túnel é profundo, condições comuns nas regiões tectonicamente ativas do Vietnã, onde uma nova linha de alta velocidade norte-sul está sendo planejada. Os pesquisadores queriam ver se a abordagem padrão — usando parafusos curtos e uma camada de concreto projetado — conseguiria sobreviver ao movimento extra causado pelos atrasos na construção, ou se a rocha se moveria tanto que os parafusos simplesmente seriam arrancados do solo antes de poderem cumprir seu papel.

O estudo revela que o tempo de construção é tão crítico quanto a resistência dos materiais. Em suas simulações, os pesquisadores descobriram que, à medida que a qualidade da rocha se deteriora, a zona de rocha quebrada e instável ao redor do túnel se expande rapidamente. Para os parafusos de 3,95 metros usados em seu modelo de referência, existe um ponto de inflexão específico. Quando a qualidade da rocha cai abaixo de uma determinada classificação, a zona de ruptura cresce tanto que engole todo o comprimento do parafuso que deveria estar ancorado na rocha sólida. Uma vez que isso acontece, o parafuso perde sua aderência e não consegue mais manter o túnel unido, independentemente de quão forte seja o revestimento de concreto. Os pesquisadores identificaram que essa zona de transição perigosa ocorre quando a classificação da massa de rocha cai entre 48,2 e 50,1. Nesse estreito intervalo, o atraso na instalação do suporte faz com que a rocha se mova o suficiente para tornar os parafusos curtos padrão inúteis, forçando uma mudança de estratégia.

Para entender o impacto financeiro dessa falha mecânica, a equipe criou um modelo de custo normalizado que elimina flutuações cambiais e inflação para comparar o verdadeiro custo de recursos de diferentes estratégias de suporte. Eles testaram um cenário severo onde a qualidade da rocha era muito baixa, com uma classificação de 35. Nessa situação, os parafusos curtos padrão falharam completamente porque a zona de rocha quebrada era profunda demais. Simplesmente adicionar mais parafusos curtos ou tornar o concreto mais espesso não resolveu o problema, pois essas medidas não alcançavam profundidade suficiente na rocha estável para fornecer uma ancoragem segura. A única solução que funcionou na simulação foi mudar para ancoragens de cabos profundos e pré-tensionados. O ótimo matemático para essa ancoragem profunda foi um comprimento de 9,61 metros. No entanto, como a construção exige números inteiros práticos e considera o desperdício de material, os pesquisadores calcularam que um cabo de tendão padrão de 10 metros seria a solução pronta para o campo. Esse ajuste elevou o custo estimado para 3.105,4 unidades de custo por metro de túnel, um valor que representa a maneira mais eficiente de assegurar o túnel nessas condições difíceis sem gastar excessivamente em medidas ineficazes.

Os pesquisadores validaram sua abordagem comparando seus resultados com dados do mundo real do Túnel Driskos Twin, na Grécia, um local conhecido por seu solo espremedor severo e má qualidade de rocha. Naquele túnel, os engenheiros tiveram que instalar cabos longos e tensionados porque os parafusos e o concreto iniciais foram insuficientes para deter a deformação. O novo modelo reproduziu com sucesso a tendência geral do movimento do solo observado na Grécia, prevendo uma deformação final do túnel que ficou dentro de 8,2 por cento das medições reais registradas lá. Essa correspondência próxima sugere que a estrutura é confiável para prever quando um sistema de suporte falhará devido a atrasos na instalação. O estudo confirma que, em terrenos ruins, esperar até mesmo um curto período para instalar o suporte pode empurrar a rocha além do ponto em que os parafusos curtos podem segurar, necessitando de uma mudança mais cara, porém necessária, para ancoragem profunda.

Em última análise, este trabalho fornece uma ferramenta para que engenheiros tomem decisões melhores durante a fase inicial de projeto de grandes túneis. Ele vai além da suposição de que todas as partes de um sistema de suporte trabalham juntas perfeitamente desde o momento em que são instaladas. Em vez disso, reconhece que, no mundo real, atrasos acontecem, e esses atrasos podem mudar inteiramente a física do problema. Ao identificar os limiares específicos de qualidade da rocha onde os parafusos curtos falham, o estudo ajuda os engenheiros a planejar o tipo certo de suporte antes do início da construção. Isso evita o erro dispendioso de construir um túnel com um sistema que parece adequado no papel, mas que falha na prática porque a rocha se moveu demais antes que os parafusos pudessem atuar. As descobertas sugerem que, para túneis em terrenos espremedores, a chave para a segurança e a eficiência de custos reside em reconhecer quando a rocha está quebrada demais para soluções simples e ter a previsão de usar sistemas de ancoragem mais profundos e ativos.