Estudo experimental sobre a influência da injeção sincronizada de calda de cimento em tunelamento com escudo sobre um túnel existente superior em estrato de solo arenoso

Por que o que acontece sob nossas cidades importa

As cidades modernas dependem cada vez mais de camadas sobrepostas de túneis subterrâneos para metrôs, serviços e vias. Quando engenheiros precisam construir um novo túnel abaixo de um mais antigo, injetam calda de cimento líquida ao redor da nova estrutura para evitar o afundamento do solo. Mas em solo solto e arenoso, essa mesma calda pode, involuntariamente, empurrar o túnel superior, dobrando‑o e comprimindo‑o de maneiras que podem ameaçar a segurança a longo prazo. Este estudo usa um modelo laboratorial cuidadosamente reduzido para mostrar como e por que isso acontece, e quanto de calda é demais.

Construindo uma cidade em miniatura no subsolo

Para investigar esses processos ocultos, os pesquisadores construíram uma grande caixa de solo preenchida com areia cujos tamanhos de grão e densidade imitam condições reais de metrô. No interior, instalaram um modelo de aço de um túnel circular “existente” e, abaixo dele, um segundo túnel representando aquele sendo recém escavado por uma máquina shield. Todo o conjunto foi construído em escala de um décimo do tamanho real, permitindo controle preciso ao mesmo tempo em que capturava um comportamento realista. Em vez de simular todas as etapas da escavação de uma vez, separaram as fases: a escavação foi modelada em trabalhos anteriores, e este estudo concentrou‑se apenas na injeção de calda que ocorre atrás do escudo à medida que novos segmentos do túnel são instalados.

Como a calda é injetada e medida

Em projetos reais, a calda é bombeada para a folga estreita atrás da cauda do escudo para preencher o espaço entre o revestimento e o solo. A equipe recriou isso com uma cauda de escudo customizada, escovas de vedação e tubos de injeção conectados a uma bomba. Eles variaram dois parâmetros-chave: o teor de água da calda e quanto de calda foi injetado em relação ao volume que estritamente precisava ser preenchido, conhecido como razão de preenchimento de calda. Pequenos sensores embutidos na areia mediram como a pressão no solo mudava ao redor do túnel superior. No interior desse túnel, réguas de aço sobrepostas, lasers e câmeras acompanharam mudanças minúsculas de diâmetro e curvatura, permitindo aos pesquisadores ver exatamente como a estrutura flexionava à medida que a injeção progredia.

Empurrões e dobras ocultas no túnel superior

As medições revelaram que a injeção de calda não atua de forma uniforme. À medida que a zona engolada pela calda se deslocava sob o túnel existente, a pressão na areia aumentava acentuadamente, especialmente diretamente abaixo do meio do túnel. A parte inferior do túnel superior teve o maior aumento, enquanto as laterais mudaram pouco e o topo apenas modestamente. Quando a razão de preenchimento de calda era alta, o empuxo ascendente no fundo do túnel foi cerca de uma vez e meia maior do que quando se usou uma quantidade mais moderada. Essa carga desigual fez com que o túnel superior arqueasse para cima ao longo do caminho da calda, com a base elevando‑se mais que o topo. Ao mesmo tempo, a seção transversal do túnel mudou de forma: seu diâmetro vertical encolheu enquanto o diâmetro horizontal cresceu, transformando o círculo em um oval lateralmente suave.

Quando mais calda se torna um problema

Essas deformações importam porque os túneis são projetados para distribuir forças de maneira uniforme ao redor de seus anéis circulares. Quando a base se projeta para fora e a seção transversal torna‑se elíptica, algumas partes do revestimento passam a suportar muito mais esforço que outras. O estudo mostra que, em solo arenoso, usar uma razão de preenchimento elevada (em torno de 1,6 vezes o volume vazio estrito) pode causar movimentação ascendente significativa e ovalização de um túnel sobreposto. Uma vez que a calda sob o túnel endureceu e encolheu ligeiramente, parte do levantamento reverteu, mas o episódio de curvatura adicional ainda teria tensionado a estrutura. Ao longo do tempo, tais mudanças podem favorecer trincas, abertura de juntas, danos a parafusos e infiltrações.

Lições práticas para túneis mais seguros

Para um não especialista, a mensagem é direta: ao escavar um novo túnel sob um antigo em solo arenoso, calda de apoio em excesso pode ser quase tão problemática quanto escassa. Os experimentos sugerem que manter a razão de preenchimento de calda abaixo de cerca de 1,6, e ajustá‑la com base em monitoramento em tempo real, ajuda a evitar elevações e distorções excessivas do túnel existente. Ao compreender melhor essas forças subterrâneas invisíveis, os engenheiros podem aperfeiçoar seus projetos e controles de construção, protegendo os túneis que já transportam milhões de passageiros enquanto adicionam os novos que nossas cidades em crescimento demandam.

Citação: Huang, D., Lu, W., Luo, W. et al. Experimental study on the influence of synchronous grouting in shield tunneling on an upper existing tunnel in sandy soil stratum. Sci Rep 16, 7203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38155-w

Palavras-chave: tunelamento com escudo, injeção sincronizada de calda, túneis de metrô, solo arenoso, deformação de túnel