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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2017.tde-21062017-132502
Document
Author
Full name
Gustavo Aguiar
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2017
Supervisor
Committee
Nader, José Jorge (President)
Celestino, Tarcisio Barreto
Marinho, Fernando Antonio Medeiros
Title in Portuguese
Túneis escavados em solo por máquina tuneladora: conceituação, comportamento do maciço e modelagem numérica.
Keywords in Portuguese
Análise numérica
Maciço
Túneis
Abstract in Portuguese
Este trabalho apresenta um estudo a respeito do comportamento do solo durante a escavação de um túnel, com foco na metodologia de escavação mecanizada. São abordadas diretrizes para a modelagem numérica de túneis com o emprego de diferentes métodos de cálculo, distintos modelos constitutivos para representação do comportamento do solo e duas maneiras de se representar o revestimento da escavação. Alguns conceitos fundamentais relacionados a escavações de túneis de grande diâmetro em solo com o emprego de máquinas tuneladoras são descritos, como os tipos de máquinas existentes (com ênfase nas máquinas do tipo EPB - Earth Pressure Balance), princípios de funcionamento e modos de operação, além de uma comparação deste método com a metodologia sequêncial tradicional. É realizada uma revisão bibliográfica sobre distintos métodos de cálculo para estimar a estabilidade de uma escavação, a previsão da deformação no maciço e os esforços atuantes no revestimento do túnel. O trabalho também apresenta uma revisão de publicações recentes a respeito da modelagem numérica de túneis escavados mecanicamente, destacando algumas diferenças em relação à metodologia sequencial. Uma das diferenças é com relação à simulação do revestimento do túnel, com a possibilidade de se considerar as propriedades das juntas dos anéis. Outro ponto distinto é o método de cálculo empregado, levando em conta na simulação aspectos específicos da escavação mecanizada, como pressão de frente aplicada, vazio anelar e injeção de grout. É feita uma breve introdução e são apresentados os conceitos básicos de dois modelos constitutivos do solo: o modelo elastoplástico perfeito conhecido como Mohr-Coulomb e o modelo elastoplástico com endurecimento Hardening Soil. Utilizando alguns dos conceitos estudados na revisão bibliográfica, são realizadas análises numéricas bidimensionais retroanalisando um caso real de escavação com tuneladora. Foi utilizado o programa de elementos finitos Plaxis para realizar comparações entre os métodos de cálculo do alívio de tensões e da contração, além da simulação do revestimento com ou sem a consideração das juntas. Por fim é feita uma análise crítica dos resultados obtidos nas diferentes modelagens numéricas.
Title in English
Tunnels excavated in soil by tunneling machine: conceptualization, ground behavior and numerical modeling.
Keywords in English
Numerical analysis
Tunnel
Tunnel boring machine
Abstract in English
This research presents a study about the soil behavior during the excavation of a tunnel, focusing on the mechanized excavation methodology. Guidelines for the numerical modeling of tunnels with the use of different calculation methods, distinct constitutive models to characterize the soil behavior and two ways of representing the lining of the excavation are addressed. Relevant aspects regarding excavations of large diameter tunnels in soil with the use of TBM (Tunnel Boring Machine) are presented, like types of machines, with the focus on the Earth Pressure Balance (EPB) machines, fundamental concepts of the methodology and operation modes, besides a comparison of this method with the traditional sequential methodology. A literature review on different methods of calculation to estimate the excavation stability, the prediction of ground deformation and the efforts acting in the tunnel lining is made. The research also presents a review of recent publications regarding numerical modeling of mechanically excavated tunnels, highlighting some differences with the sequential method. One of these differences is related to the simulation of the tunnel lining, with the possibility of considering the properties of the ring joints. Another different point is the calculation method employed, considering in the simulation specific aspects of mechanized excavation, as front pressure applied, ring void and grout injection. A brief introduction is made about constitutive models to represent the soil behavior and the basic concepts of two constitutive soil models are presented: Mohr-Coulomb and Hardening Soil. Using some of the concepts studied in the literature review, it is performed two-dimensional numerical analysis with a back-analysis of a real case, using the finite element model program Plaxis, comparing the calculation methods of stress relieving and contraction, as well as the tunnel lining simulation with or without consideration of the joints. Finally, it is made a critical analysis of the results of the numerical simulations.
 
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Publishing Date
2017-06-21
 
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