Análise do levantamento de segmentos durante a construção de túneis com escudo considerando os efeitos de percolação no estrato

Por que o levantamento do túnel importa para a vida urbana

Cidades modernas dependem cada vez mais de linhas ferroviárias subterrâneas para aliviar o tráfego e liberar espaço ao nível da rua. Mas escavar longos túneis sob edificações não é isento de risco. Quando um túnel é escavado por uma grande máquina de escudo, os anéis de concreto que revestem o túnel às vezes podem subir, ou “levantar”, mais do que o previsto. Levantamentos excessivos podem fissurar o revestimento, permitir infiltração de água e até afetar o solo e as estruturas acima. Este estudo examina em detalhe como a interação entre a calda de injeção (gesso/argamassa) e a água subterrânea causa o levantamento do túnel, usando um trecho real do metrô de Dalian, na China, como caso de estudo.

Um olhar mais atento sob as ruas

Os pesquisadores concentraram-se em um trecho de túnel sob solo urbano composto por camadas de aterro, argilas e solos cascalhosos que contêm lençol freático. À medida que a máquina de escudo avança, fica um pequeno espaço entre o revestimento circular de concreto e o solo circundante. Esse espaço é imediatamente preenchido com uma calda fluida para apoiar o solo e manter a estabilidade do túnel. Como a calda é mais leve e mais fluida que o solo, e porque o terreno contém água, o revestimento pode ser empurrado para cima pela combinação da pressão da calda e da pressão da água. Estudos anteriores muitas vezes trataram esse efeito de maneira simplificada e não contabilizaram plenamente como a água se move pelo solo enquanto a calda é injetada e endurece.

Construindo um túnel virtual no computador

Para desfazer esses processos, a equipe construiu um modelo computacional tridimensional do túnel, da calda e do solo circundante. O modelo reproduziu camadas geológicas reais e permitiu a percolação de água pelo solo de acordo com leis de fluxo bem estabelecidas. Também reproduziu o avanço passo a passo da máquina de escudo: escavação do solo, apoio da face, instalação de cada anel de segmentos e injeção de calda ao redor deles. Diferentes níveis de rigidez foram atribuídos à calda conforme ela mudava de fluida recém-bombeada para material endurecido. O modelo foi verificado com medições de campo cuidadosas obtidas por pontos de monitoramento de superfície e por um sistema de orientação a laser que acompanhou o revestimento do túnel conforme a máquina avançava.

Como água e calda atuam conjuntamente para elevar o túnel

As simulações mostraram que a pressão da água ao redor do revestimento sofre variações acentuadas à medida que a máquina passa e a calda é injetada. As oscilações mais fortes na pressão de poros ocorrem na parte inferior do revestimento; mudanças mais fracas aparecem nas laterais e as menores no topo. O levantamento segue um padrão semelhante: o invert (fundo) do túnel sobe mais, as laterais sobem um pouco menos e a cúpula (topo) sobe menos ainda. A maior parte do levantamento total ocorre nos primeiros cinco anéis atrás da cauda do escudo, durante a fase em que a calda ainda está muito fluida e sua pressão é alta. Conforme a calda começa a endurecer e as tensões no solo se redistribuem, o crescimento do levantamento desacelera e eventualmente se estabiliza. Quando a percolação de água subterrânea é considerada, o levantamento final é visivelmente maior — cerca de um quinto do levantamento total no modelo deve-se à percolação atuando em conjunto com a pressão da calda, em vez da calda isoladamente.

Quais escolhas de construção agravam o levantamento

Usando o modelo validado, os autores variaram então fatores-chave mantendo condições semelhantes. Túneis mais profundos apresentaram maior levantamento, principalmente porque a pressão da água subterrânea aumenta com a profundidade e contribui para expandir a calda e elevar o revestimento. Pressões de calafetagem mais altas produziram levantamento mais intenso também, embora esse efeito tenha sido menor que o da profundidade. Outro fator importante foi quão rápido e quão próximo à máquina a calda começava a endurecer. Se o ponto inicial de presa ocorresse mais atrás do escudo, a calda permanecia fluida ao redor do revestimento por mais tempo, permitindo mais tempo para o desenvolvimento do levantamento. O estudo combinou essas tendências em fórmulas empíricas simples que relacionam o levantamento à profundidade de enterramento, à pressão de calafetagem e à distância da face do túnel, fornecendo aos engenheiros uma maneira prática de estimar o levantamento em condições de solo semelhantes.

Implicações para viagens subterrâneas mais seguras

Para não especialistas, a mensagem principal é que o levantamento de túnel não depende apenas da força com que os engenheiros injetam calda — depende também de forma marcante de como a água subterrânea se move pelo solo e de quão rapidamente a calda se adensa. Ao capturar a ação combinada da pressão da calda e da percolação de água, e ao conferir os resultados com medições do mundo real, este trabalho oferece uma imagem mais realista de como e quando os revestimentos de túneis se elevam durante a construção. As conclusões podem ajudar projetistas a escolher profundidades de enterramento mais seguras, pressões de calafetagem e formulações de calda, reduzindo o risco de fissuras, infiltrações e levantamento de superfície à medida que novas linhas de metrô são construídas sob nossas cidades.

Citação: Guo, J., Li, Z., Liu, J. et al. Analysis of segment uplift during shield tunnel construction considering stratum seepage effects. Sci Rep 16, 14501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44530-4

Palavras-chave: levantamento de túnel com escudo, percolação de água subterrânea, calafetagem sincronizada, construção de túnel de metrô, modelagem numérica