Cálculo em dois estágios e análise da deformação do túnel de metrô existente causada pela interseção diagonal do novo túnel

Por que a interseção de túneis de metrô importa para as cidades

À medida que as cidades crescem e acrescentam novas linhas de metrô, túneis recém-construídos frequentemente precisam contornar outros já em operação. Escavar um novo túnel sob uma linha existente movimentada corre o risco de deformar esse túnel mais antigo, o que pode afetar o conforto da viagem e a segurança a longo prazo. Este estudo aborda uma questão muito prática para planejadores urbanos e engenheiros: quando um novo túnel atravessa diagonalmente por baixo de um túnel curvo existente, quanto o túnel antigo se moverá e quais escolhas de projeto mantêm esse movimento reduzido?

Dividindo um problema subterrâneo complexo em duas etapas

Os autores propõem um método de cálculo refinado “em dois estágios” que transforma um problema de construção subterrânea complexo em algo que pode ser analisado de forma confiável por computador. No primeiro estágio, eles estimam quanto o solo ao redor do túnel existente é perturbado quando um novo túnel escavado com escudo é aberto abaixo dele. Para isso, usam uma solução conhecida da mecânica dos solos que descreve como a tensão se propaga pelo terreno a partir de uma carga enterrada. Isso lhes permite calcular as forças adicionais de compressão e tração que a escavação do novo túnel impõe em cada ponto ao longo do túnel antigo, mesmo quando os dois túneis se cruzam em ângulo e o túnel existente é curvo em planta.

Tratando o túnel de metrô como uma viga flexível no solo

No segundo estágio, o túnel de metrô existente é tratado como uma viga longa e ligeiramente flexível apoiada em um leito elástico que representa o solo circundante. Esse leito não apenas comprime verticalmente, como muitas molas pequenas, mas também sofre cisalhamento lateral, o que torna o modelo mais realista ao mesmo tempo que continua simples o suficiente para o dimensionamento rotineiro. As tensões adicionais calculadas no primeiro estágio são aplicadas ao longo dessa viga para determinar quanto o túnel se dobra e quanto se move verticalmente. O modelo também inclui um “fator de redução de tensões” que contabiliza zonas onde o solo ao redor do túnel foi reforçado por injeção de calda (grouting), uma medida de proteção comum em obras de metrô.

Testando o método em um projeto real de metrô

Para verificar se a teoria corresponde à realidade, os pesquisadores aplicaram seu método a um trecho real do metrô de Zhengzhou, onde uma nova linha passou diagonalmente por baixo de um túnel curvo existente. Eles usaram propriedades locais do solo e do túnel, executaram os cálculos e compararam os deslocamentos verticais previstos com medições precisas realizadas durante a construção. O deslocamento máximo previsto na abóbada do túnel foi ligeiramente maior que o deslocamento medido no piso do túnel, o que é esperado porque a cobertura normalmente deforma mais. Mais importante, a forma e a magnitude da curva de deformação calculada coincidiram bem com os dados de monitoramento, mostrando que o método pode fornecer aos engenheiros uma imagem confiável do que ocorrerá no subsolo.

Quais escolhas de projeto são mais importantes no subsolo

Com o método validado, os autores exploraram como parâmetros-chave de projeto e construção influenciam o movimento do túnel. Eles constataram que a distância vertical entre o novo e o túnel antigo tem efeito claro: quanto mais próximo o novo túnel passa por baixo do existente, maior o movimento ascendente do túnel antigo. O ângulo em que os túneis se cruzam é igualmente importante. Cruzamentos rasos, quase paralelos, causam deformações maiores distribuídas por uma distância maior, enquanto cruzamentos mais íngremes, próximos ao ângulo reto, reduzem significativamente o impacto. Em contraste, o raio de curvatura do túnel existente teve muito pouco efeito sobre o movimento vertical, sugerindo que curvas moderadas em planta não são uma preocupação principal nesse tipo de cruzamento.

O papel do reforço do solo ao redor do túnel

O estudo também examinou como o grouting — a injeção de material tipo cimento ao redor do túnel — ajuda a controlar os deslocamentos. Estender a zona com grouting ao longo do túnel existente reduziu substancialmente seu deslocamento vertical, especialmente ao passar de nenhuma injeção para um comprimento moderado de solo tratado. Além de certo comprimento, entretanto, o grouting adicional trouxe apenas benefícios marginais, indicando um ponto prático de equilíbrio entre segurança e custo. O comportamento preciso de compressibilidade do solo rejuntado, descrito por um parâmetro chamado razão de Poisson, mostrou ter influência apenas menor no movimento do túnel dentro da faixa testada, em comparação com o quanto o grouting se estende.

O que isso significa para futuras construções de metrô

Em resumo, o trabalho oferece aos engenheiros uma ferramenta prática para prever como um túnel de metrô existente responderá quando um novo túnel com escudo passar diagonalmente por baixo dele, mesmo quando o túnel antigo é curvo e o solo foi reforçado. Para não especialistas, a conclusão é direta: manter uma folga razoável entre os túneis, projetar cruzamentos preferencialmente próximos a ângulos retos e fornecer um comprimento de reforço de solo bem dimensionado, sem excessos, são as maneiras mais eficazes de manter um túnel em operação seguro e confortável quando novas linhas são adicionadas abaixo dele.

Citação: Li, Y., Zhao, Y., Shi, G. et al. Two-stage-method-based calculation and analysis of the deformation of the existing subway tunnel caused by the diagonal crossing of the new tunnel. Sci Rep 16, 11460 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40967-9

Palavras-chave: túneis de metrô, tunelamento com escudo, deformação de túnel, reforço do solo, construção subterrânea