Evolução dos danos sísmicos e características dinâmicas do maciço rochoso circundante em taludes anti-dip de portal de túnel reforçados com vigas em quadro

Por que as entradas de túnel importam em grandes terremotos

Quando ocorre um grande terremoto, geralmente imaginamos edifícios desabando e pontes quebradas. No entanto, túneis em áreas montanhosas, que conduzem rodovias e ferrovias por terrenos acidentados, frequentemente sobrevivem com surpreendente pouco dano interno. O elo fraco é a entrada do túnel, onde as estruturas subterrâneas sólidas encontram taludes rochosos íngremes. Este estudo aborda uma questão prática com grandes implicações para a segurança da infraestrutura: como e por que os terremotos concentram danos em portais de túnel escavados em taludes rochosos instáveis e estratificados, e o que os engenheiros podem fazer para protegê‑los melhor?

Agitando uma montanha em miniatura no laboratório

Para investigar isso, os pesquisadores construíram um grande modelo em escala reduzida de uma entrada de túnel real ao longo do rio Nujiang, na China. O talude acima do túnel é composto por camadas rochosas chamadas anti-dip—camadas inclinadas que se afastam da face do talude, uma geometria conhecida por ser suscetível a tombamentos durante a agitação. Reforçaram o modelo com vigas em quadro, ancoradas por cabos e barras de aço, semelhantes aos sistemas usados em rodovias e ferrovias reais. Todo o modelo foi montado em uma mesa vibratória tridirecional, onde pôde ser submetido a movimentos sísmicos realistas registrados em eventos passados, como os terremotos de Kobe, El Centro e Wenchuan.

Como o talude e o túnel responderam aos terremotos

À medida que a equipe aumentou a agitação simulada, mediram cuidadosamente aceleração, deformação, pressão do solo e deslocamentos em todo o talude e ao redor do revestimento do túnel. As vigas de reforço cumpriram seu papel em um sentido importante: impediram que o talude colapsasse em um tombamento dramático em grande escala. No entanto, a superfície do talude ainda sofreu considerável desplacamento (spalling), a crista do talude deslocou‑se para baixo e colunas rochosas inclinaram‑se fortemente em direção à face aberta. Mais criticamente para a segurança do transporte, a entrada do túnel foi seriamente afetada. Quando o nível de agitação atingiu cerca da força da gravidade terrestre (1,0–1,2 g), apareceram fissuras na base do revestimento do túnel e nas juntas entre segmentos do revestimento, que acabaram conectando‑se em uma fissura através do invert—o piso do anel do túnel.

Onde a agitação é mais forte e por que o portal sofre

As medições revelaram que a agitação não afeta igualmente todas as partes do talude. As acelerações foram amplificadas à medida que as ondas subiam em direção à crista do talude e foram mais fortes perto da superfície, uma combinação de efeitos de "elevação" e de "superfície". Sob agitação vertical, o portal do túnel tornou‑se um ponto quente onde ondas incidentes eram refletidas e curvadas ao redor do revestimento e das camadas rochosas inclinadas, criando um padrão complexo de movimento concentrado. Ao longo do próprio túnel, a seção de enterramento raso perto da entrada vibrou muito mais intensamente que a seção mais profunda. A diferença de movimento entre a rocha acima e abaixo do túnel cresceu significativamente perto do portal, solicitando o revestimento e a rocha circundante e ajudando a explicar por que os danos se concentraram ali em vez de mais para dentro da montanha.

Acompanhando danos ocultos por propriedades da rocha e energia das ondas

Para ir além das observações de superfície, os pesquisadores acompanharam como as propriedades mecânicas do maciço rochoso mudaram com a agitação. Usaram relações estabelecidas entre deformação e dois parâmetros dinâmicos chave: a rigidez ao cisalhamento da rocha e sua capacidade de dissipar energia (amortecimento). À medida que a agitação se intensificou, a rigidez da rocha diminuiu e seu amortecimento aumentou, especialmente na rocha imediatamente abaixo do revestimento do túnel. Mapear essas mudanças mostrou zonas de dano formando‑se primeiro perto da parte inferior do revestimento na entrada, estendendo‑se depois mais profundamente ao longo do túnel conforme a excitação aumentava. A equipe também aplicou uma ferramenta tempo‑frequência chamada transformada de Hilbert–Huang para estudar como a energia sísmica se distribuía por diferentes frequências. Descobriram que, sob agitação vertical, componentes de baixa frequência na faixa de 9–12 Hz foram particularmente importantes para danificar a rocha e o revestimento perto do portal. Quando o revestimento começou a rachar, a energia das ondas nessa banda atenuou‑se de forma perceptível na rocha sob o túnel, oferecendo uma possível maneira de detectar danos por meio do monitoramento cuidadoso de sinais sísmicos.

O que isso significa para túneis mais seguros

Para não especialistas, a conclusão é clara: portais de túnel em taludes íngremes e estratificados não são simplesmente versões menores do túnel subterrâneo—são pontos fracos especiais onde o movimento do talude, o foco de ondas e detalhes estruturais se combinam para amplificar os danos sísmicos. Este estudo mostra que mesmo quando suportes visíveis impedem o colapso do talude, danos ocultos podem acumular‑se na rocha e no revestimento do túnel, especialmente em seu arco inferior. Os autores concluem que engenheiros devem reforçar o arco invertido (a parte inferior do revestimento) e a rocha sob ele, e prestar atenção especial à agitação vertical de baixa frequência ao projetar e avaliar entradas de túnel. Uma melhor compreensão de onde e como a energia se concentra durante terremotos pode orientar reforços e monitoramento mais inteligentes, ajudando a manter túneis de infraestrutura essenciais abertos quando mais são necessários.

Citação: Wen, H., Yang, C., Hou, B. et al. Seismic damage evolution and dynamic characteristics of the surrounding rock in tunnel portal anti-dip slopes reinforced with frame beams. Sci Rep 16, 6480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37208-4

Palavras-chave: portal de túnel, danos por terremoto, talude rochoso, agitação sísmica, infraestrutura subterrânea