Pesquisa sobre mecanismos de deformação em túneis de escavação profunda e a aplicação do suporte tipo unidade-fundação por estacas

Mantendo os Túneis Subterrâneos Seguros

Os túneis profundos são as artérias das minas de carvão modernas, transportando ar fresco, trabalhadores e equipamentos pesados. Mas em grandes profundidades, a rocha circundante pode gradualmente apertar, rachar e deformar o piso do túnel, ameaçando tanto a segurança quanto a produtividade. Este estudo analisa detalhadamente um túnel de transporte deformado em uma mina de carvão da Mongólia Interior e testa uma nova forma de conter a rocha usando uma combinação de estacas no piso e suportes modulares, atuando em conjunto com chumbadores e cabos convencionais.

Quando o Solo Começa a Mover-se

O túnel examinado neste trabalho situa-se a cerca de 420 metros abaixo da superfície, em um espesso e relativamente estável lençol de carvão. Ainda assim, o piso havia rachado e se levantado de forma desigual, o teto havia cedido e as cintas — as paredes laterais do túnel — haviam abaulado. O problema mais sério foi o levantamento do piso no lado de carvão maciço, que distorceu a galeria e colocou em risco os veículos que a percorrem. O lado da coluna de carvão também apresentou danos, enquanto o teto e a parede de carvão maciço foram comparativamente menos afetados. Esses padrões sugerem que o equilíbrio original de forças na rocha profunda foi perturbado pela escavação.

Como as Tensões Subterrâneas Quebram um Túnel

Para entender por que o túnel estava se deformando, os pesquisadores combinaram amostragem de campo, testes laboratoriais em testemunhos de rocha e medições de tensões in situ. Eles descobriram que as tensões horizontais naturais na rocha eram maiores que as tensões verticais provocadas pelo peso sobrejacente. Com essas medições, construíram um modelo numérico tridimensional da rocha em torno do túnel. As simulações mostraram que escavar o túnel redistribui tensões, criando zonas de compressão muito alta e áreas de tração ao redor da abertura e mais profundamente na rocha. O resultado é uma zona anelar de rocha ao redor do túnel que é empurrada além do seu limite elástico, onde começa a deformar-se permanentemente e a rachar.

Por que o Piso Se Arqueia de Forma Assimétrica

Em seguida, a equipe utilizou um modelo mecânico simplificado do piso do túnel, tratando-o como uma viga apoiada em zonas mais amolecidas em cada extremidade. Demonstraram que a magnitude e a posição do levantamento do piso dependem fortemente de dois fatores: a largura das zonas “plásticas” amolecidas em cada lado do piso e o grau de concentração de tensão nessas zonas. Quando ambos os lados são semelhantes, o piso projeta-se mais no centro. Mas se um lado tiver uma zona enfraquecida mais larga ou uma concentração de tensão maior, o maior movimento ascendente desloca-se para esse lado e aumenta de tamanho. No caso estudado, o lado de carvão maciço teve o efeito mais forte, explicando o pronunciado levantamento assimétrico do piso observado na mina.

Uma Nova Forma de Sustentar a Rocha

Como chumbadores e cabos convencionais por si só não controlaram a deformação, os pesquisadores propuseram um novo conceito de suporte: suporte tipo unidade-fundação por estacas. Estacas de aço são perfuradas no piso do túnel e recobertas por uma placa plana que sustenta unidades de suporte hidráulicas modulares. Esses suportes atuam em conjunto com os chumbadores e cabos existentes no teto e nas paredes. As estacas melhoram as condições de tensão no piso, interrompem o fluxo plástico da rocha enfraquecida sob o túnel e fornecem uma base nivelada e estável para que os suportes atuem de forma vertical e eficiente. Ao mesmo tempo, os suportes repartem e espalham a carga, reduzindo o acúmulo de tensões ao longo das paredes laterais.

Transformando um Aperto Perigoso em Solo Estável

As simulações numéricas do sistema de suporte combinado mostraram melhorias dramáticas. Os deslocamentos do teto e do piso caíram mais de 80 a 90 por cento, e os deslocamentos das paredes laterais foram reduzidos em cerca de três quartos ou mais. O anel contínuo de rocha fortemente danificada ao redor do túnel fragmentou-se em zonas menores e isoladas, especialmente no piso, onde a deformação plástica foi interrompida nas filas de estacas e reduzida em até cerca de 80 por cento. Em termos simples, o novo esquema de suporte transforma um túnel fortemente comprimido e instável em um onde os movimentos da rocha são reduzidos para a ordem de centímetros e as tensões são suportadas com segurança por estacas e suportes. Para operações de mineração em grande profundidade, essa abordagem oferece um caminho promissor para manter túneis de transporte críticos abertos, estáveis e seguros.

Citação: Gou, L., An, D., Song, Y. et al. Research on deformation mechanisms in deep excavation tunnels and the application of the pile foundation-unit-type support. Sci Rep 16, 12233 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43056-z

Palavras-chave: deformação de túnel, levantamento de piso, mineração subterrânea, suporte de rocha, fundação por estacas