Pesquisa sobre simulação numérica da estabilidade do maciço rochoso ao redor de via subterrânea profunda com modelo avançado de amolecimento por deformação baseado no critério de Hoek-Brown

Por que o terreno ao redor de túneis importa

À medida que minas e túneis de transporte subterrâneo alcançam profundidades cada vez maiores, o maciço rochoso em torno dessas aberturas é pressionado perto de seu limite de ruptura. Quando essa rocha começa a fraturar e dilatar, pode empenar suportes de aço, entupir galerias com detritos e colocar os trabalhadores em sério risco. Este estudo pergunta algo prático com grandes implicações de segurança e econômicas: modelos computacionais mais inteligentes podem ajudar os engenheiros a prever como a rocha profunda se comportará após a escavação, para que projetem sistemas de suporte que realmente correspondam à realidade?

Indo além do comportamento rochoso simples

Os métodos tradicionais de projeto frequentemente tratam a rocha como se fosse um material simples, quase elástico, que enfraquece de maneira direta após a ruptura. Mas observações em minas profundas mostram algo mais complexo: após o pico de resistência, a rocha pode perder rigidez, perder resistência, fraturar e até aumentar de volume à medida que fragmentos quebrados se rearranjam e dilatam. Os autores se concentram em um modelo de “amolecimento por deformação avançado” chamado IMASS, que foi construído com base em uma regra amplamente usada de resistência de rocha conhecida como critério de Hoek–Brown. O IMASS procura captar quatro comportamentos-chave pós-ruptura: perda de coesão e resistência à tração, aumento do atrito entre fragmentos, amolecimento gradual da rigidez elástica e uma transição de ruptura frágil para um escoamento mais dúctil, semelhante ao plástico.

Como o novo modelo representa a rocha fraturada

O modelo IMASS representa a trajetória do maciço rochoso ao redor de um túnel em estágios. Primeiro vem o estado intacto de resistência de pico, em que a rocha ainda está sólida. Quando a tensão se torna excessiva, o material entra em uma fase pós-pico: surgem trincas, a resistência coesiva diminui, mas os fragmentos ainda estão entrelaçados e relativamente densos. Com deformação adicional, o sistema evolui para um estado último, onde os pedaços quebrados se rearranjaram, a porosidade pode atingir aproximadamente 40% e o comportamento se aproxima de um empilhamento granular. O modelo relaciona esses estágios a quantidades mensuráveis, como índice de qualidade do maciço rochoso (geological strength index), resistência à compressão medida em laboratório e um parâmetro que descreve a rapidez com que a deformação plástica por cisalhamento se acumula. Também permite que a rigidez elástica e a tendência da rocha de dilatar — expandir o volume durante o cisalhamento — evoluam com o dano.

Testando quais propriedades da rocha importam mais

Para ver como esses ingredientes influenciam a estabilidade do túnel, os autores construíram um modelo numérico tridimensional de uma via profunda a cerca de 1.000 metros abaixo da superfície, com seção transversal semicircular típica. Realizaram simulações sistemáticas variando um grupo de propriedades por vez. Ao alterar a qualidade da rocha de ruim para boa, observaram como coesão e resistência à tração degradavam, como o atrito interno aumentava e como evoluíam a extensão das zonas plásticas (deformadas permanentemente) e os deslocamentos ao redor do túnel. Em seguida, ativaram e desativaram o amolecimento do módulo, exploraram o impacto da dilatância por cisalhamento (quanto o maciço rochoso se expande ao cisalhar) e ajustaram um parâmetro de fragilidade que controla a velocidade da transição do material de forte e rígido para totalmente amolecido. Os resultados mostram que deslocamento e dano são muito sensíveis ao amolecimento do módulo e à dilatação quando a rocha é fraca e frágil, mas bem menos quando o maciço rochoso é mais resistente e contínuo.

Combinando vários sinais de alerta em um único índice

Em vez de depender de um único indicador, como movimento da parede do túnel ou um “círculo solto” teórico, os autores propõem um índice de estabilidade combinado que funde várias medidas em uma pontuação entre 0 e 1. Incluem o tamanho da zona plástica, a deformação total, o nível e a distribuição de tensões de pico, quanto a coesão enfraqueceu e quão forte é a dilatação. Usando um método estruturado de tomada de decisão (processo de hierarquia analítica) corrigido por um esquema de ponderação baseado em entropia, atribuem pesos racionais a cada fator, dando mais importância ao tamanho da zona plástica e à concentração de tensões. Após normalizar todas as grandezas, calculam um índice único que pode classificar o túnel como estável, marginal, criticamente instável ou em alto risco de colapso, e orientar medidas de suporte correspondentes.

Aplicando o modelo em uma mina real

A equipe aplicou então tanto o avançado modelo IMASS quanto um modelo convencional de amolecimento por deformação a uma via em rocha mole profunda na mina de carvão Quandian, na China, onde a rocha é arenito fortemente fraturado. Compararam deslocamentos simulados, profundidades de ruptura, padrões de tensão e dilatação com medições de campo. O modelo convencional previu deformações significativamente menores e uma zona de ruptura menor do que a observada no local, fornecendo um índice de estabilidade excessivamente otimista com desvio de cerca de 162% em relação ao valor medido. Em contraste, as simulações IMASS produziram deslocamentos maiores, zonas plásticas mais amplas, dilatação mais intensa e um ajuste muito mais próximo à realidade; seu índice de estabilidade diferiu do valor medido em apenas cerca de 26%, e identificou corretamente a via como em estado de alto risco.

O que isso significa para túneis mais seguros

Para não especialistas, a mensagem é clara: o maciço rochoso ao redor de túneis profundos não simplesmente se rompe e para — ele amolece, incha e gradualmente se reorganiza, e essas sutilezas importam para a segurança. O modelo IMASS, ao acompanhar perda de rigidez, dilatação e fragilidade, fornece uma visão mais realista de como o dano se propaga ao redor de uma escavação e quão próximo o sistema está da instabilidade. Quando combinado em um único índice de estabilidade, essa descrição mais rica permite que engenheiros escolham esquemas de suporte mais robustos ou mais econômicos com maior confiança. Embora os autores observem que trabalhos futuros devem incluir cargas dinâmicas, água subterrânea e efeitos dependentes do tempo, o estudo mostra que modelos numéricos mais nuançados podem reduzir substancialmente a lacuna entre previsão e o que realmente acontece no subsolo.

Citação: Wang, R., Wu, R., Xu, J. et al. Research on numerical simulation of surrounding rock stability of deep roadway with advanced strain softening model based on Hoek-Brown criterion. Sci Rep 16, 11910 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39882-w

Palavras-chave: estabilidade de via profunda, amolecimento do maciço rochoso, simulação numérica, projeto de suporte subterrâneo, critério de Hoek-Brown