Pesquisa sobre características de deformação do maciço rochoso e medidas de otimização do suporte para túneis com avanço por TBM atravessando zonas de fratura de falha

Por que túneis em montanhas podem falhar de repente

Longos túneis rodoviários e ferroviários hoje atravessam algumas das montanhas mais altas e acidentadas do mundo. Essas passagens geralmente são escavadas por enormes tuneladoras (TBMs) que trituram constantemente o maciço rochoso. Mas quando uma TBM encontra uma zona de falha oculta — rocha fragmentada e enfraquecida por antigos terremotos — o túnel pode deformar, colapsar ou até prender a máquina. Este estudo examina esse tipo de encontro de alto risco em um túnel montanhoso chinês e mostra como um sistema de suporte projetado com cuidado pode reduzir drasticamente esses perigos.

Um trecho problemático em um túnel profundo

A pesquisa concentra‑se no Túnel Daliangshan No. 1, na província de Sichuan, que percorre mais de 10 quilômetros sob vales acentuados em forma de V. A maior parte do traçado atravessa rocha relativamente competente, mas um trecho cruza a zona de fratura da falha F1, onde basaltos e tufos antes sólidos foram fragmentados em materiais fracos e intemperizados. Nessa zona, o teto e as paredes perdem blocos, abrem‑se grandes cavidades, infiltra água e os pontos de contato onde a TBM se apoia perdem resistência. Durante a escavação inicial, essas condições levaram a queda intensa de blocos, deformação de armaduras de aço, convergência das paredes do túnel e até um episódio em que a TBM ficou presa após uma paralisação.

Medindo como o terreno se movimenta

Para entender o que ocorria — e como controlar — a equipe combinou três abordagens. Em laboratório, testaram amostras pulverizadas de testemunho da zona de falha para determinar o quão fraca era a rocha alterada. No computador, usaram o programa de elementos finitos ABAQUS para simular uma TBM avançando por um túnel de 8 metros de largura que intersecta uma faixa de falha de 40 metros com inclinação de 40 graus. E em campo, instalaram instrumentos ao longo de várias seções transversais para monitorar como o teto (abóbada), as paredes e a superfície do terreno se moviam à medida que a escavação progredia. Essa combinação de ensaio, modelagem e medição in situ permitiu vincular o que era observado no subsolo com a redistribuição invisível das tensões nas montanhas circundantes.

O que acontece quando a máquina encontra a falha

As simulações e medições revelaram um padrão claro: a deformação foi “maior no meio e menor nas extremidades” da zona de falha. Quando a TBM entrou no núcleo mais fraco da F1, o teto do túnel afundou dramaticamente — até 92 milímetros — enquanto a superfície do terreno acima assentou até cerca de 42 milímetros. O teto começou a ceder cerca de 10 metros antes de a máquina alcançar uma seção monitorada, e continuou a movimentar‑se até aproximadamente 10 metros além dela. As paredes laterais responderam mais tarde e com menor intensidade, com movimentos máximos em torno de 15 milímetros. Afastando‑se da falha, onde a rocha estava mais íntegra, os incrementos de assentamento caíram abaixo de 5 milímetros e o comportamento do túnel tornou‑se muito mais estável. Sem intervenção, contudo, os grandes deslocamentos no núcleo da falha ameaçavam tanto a segurança dos trabalhadores quanto a capacidade da TBM de continuar avançando.

Construindo uma casca mais resistente ao redor do túnel

Guiados por esses achados e pela experiência de outros projetos, os engenheiros projetaram um sistema de suporte reforçado adaptado ao terreno falhado. Em vez de confiar apenas em costelas de aço e concreto projetado simples, adicionaram uma malha densa de novas tiras de reforço de aço ao redor de grande parte da circunferência do túnel, elevaram as características do concreto projetado para misturas de maior resistência e usaram formas e injeção de calda para criar um assento de apoio sólido onde as sapatas de apoio da TBM pressionam as paredes. Em áreas muito soltas ou em colapso, instalaram chumbadores auto‑perfurantes e ancoragens de fibra de vidro e preencheram cavidades e voids cársticos com concreto. Modelos numéricos que incorporaram essas medidas previram movimentos bem menores, e o monitoramento de campo confirmou a melhoria.

Quanto o túnel passou a ser mais seguro

Após o reforço, o assentamento máximo do teto em todas as seções monitoradas caiu para cerca de 17 milímetros, e o assentamento de superfície para cerca de 7 milímetros — reduções na ordem de 80% em comparação com o caso sem reforço. As paredes do túnel e os pés da abóbada moveram‑se apenas alguns milímetros, e o padrão geral de deformação tornou‑se mais suave e previsível. O desprendimento de blocos e as cavidades de colapso foram significativamente reduzidos, a capacidade de suporte para as sapatas da TBM melhorou e a máquina pôde avançar continuamente sem novo aprisionamento. Em termos práticos, o suporte aprimorado transformou um trecho altamente instável do túnel em um problema de engenharia administrável.

O que isso significa para futuros túneis

Para não especialistas, a mensagem principal é que terreno ruim em zonas de falha não precisa descarrilar projetos de túneis profundos. Medindo primeiro como a rocha se comporta, depois simulando como o túnel e a montanha interagem e, finalmente, adaptando o reforço a essas condições, os engenheiros podem limitar muito a deformação do túnel — mesmo em rochas esmagadas e intemperizadas a um quilômetro de profundidade. A abordagem usada no Túnel Daliangshan No. 1 oferece um roteiro para outros túneis montanhosos que devem cruzar combinações semelhantes de rocha intemperizada e falhas ativas ou antigas, melhorando a segurança e reduzindo o risco de paradas dispendiosas da TBM.

Citação: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

Palavras-chave: tuneladora, zona de fratura de falha, suporte de túneis, assentamento do solo, túneis em montanhas