Análise numérica e otimização do impacto da construção de escavação de gabião complexo na deformação de estruturas metroviárias adjacentes

Por que escavar nas proximidades importa para os metrôs urbanos

À medida que as cidades crescem, novas vias subterrâneas e utilidades frequentemente precisam ser construídas bem ao lado de túneis de metrô em operação. Escavar poços profundos para esses projetos pode causar curvaturas e assentamentos sutis nos túneis próximos, o que pode ameaçar a segurança a longo prazo e o conforto dos passageiros. Este estudo explora como o planejamento cuidadoso da ordem de escavação e da construção de elementos internos pode manter os movimentos do túnel o mais reduzidos possível, oferecendo orientação para áreas urbanas densas que precisam construir sob restrições de espaço.

O desafio de compartilhar um espaço subterrâneo congestionado

Quando engenheiros escavam um poço profundo ao lado de uma linha de metrô existente, o solo ao redor do poço relaxa e se movimenta em direção ao espaço aberto. Ao mesmo tempo, o túnel age como um anel rígido enterrado no solo, alterando como esse solo pode se deslocar. Pesquisas anteriores mostraram que a distância entre poço e túnel, a profundidade da escavação e a geologia local são fatores importantes, mas muitas vezes trataram a escavação como um processo simples e unidirecional. Na realidade, projetos modernos são mais complexos: grandes condutos de concreto ou caixas de via são moldados dentro do poço enquanto a escavação continua, e a rigidez crescente dessas estruturas retroalimenta a resposta do solo e do túnel.

Um banco de testes virtual sob Pequim

Os autores construíram um modelo computadorizado tridimensional detalhado de um projeto real no Distrito de Fengtai, em Pequim, onde um longo túnel viário e uma grande galeria subterrânea são construídos próximos à Linha 10 do metrô. O modelo inclui camadas de solo, um poço retangular profundo, paredes de contenção, o túnel do metrô e a galeria em forma de caixa que eventualmente ficará no poço. Usando leis de comportamento do solo amplamente aceitas, eles simularam como o terreno e o túnel se moveriam à medida que o solo é removido passo a passo e à medida que as estruturas de concreto dentro do poço endurecem. Esse banco de testes virtual permitiu comparar diferentes planos de construção que seriam impraticáveis ou arriscados de ensaiar em campo.

Dez maneiras de escavar e construir

A questão central foi como a sequência de trabalho afeta o movimento do túnel. A equipe combinou duas escolhas principais: se a galeria é moldada em direção ao avanço (pra frente) ou no sentido inverso, e como a própria escavação progride. Eles testaram dez cenários que incluíram escavação de um lado apenas, escavação simétrica a partir de ambos os lados, divisão do poço em zonas e uso de uma progressão escalonada, em degraus. Em cada caso, acompanharam o assentamento vertical do túnel e o deslocamento lateral das paredes de contenção. Embora todos os cenários mantivessem os movimentos do túnel pequenos, as diferenças foram suficientemente claras para importar frente a normas rigorosas de segurança metroviária.

O que as simulações revelaram

O plano mais favorável combinou construção da galeria no sentido do avanço com uma escavação unidirecional “de longe para perto”, ou seja, o solo foi removido primeiro no lado mais distante do túnel sensível e somente depois próximo ao túnel. Essa abordagem permitiu que o solo remanescente perto do túnel atuasse como um contraforte temporário, enquanto os segmentos anteriores da galeria tiveram tempo para ganhar rigidez e ajudar a suportar cargas antes que a escavação atingisse a zona crítica. Em contraste, um dos planos menos favoráveis utilizou construção invertida da galeria juntamente com escavação simétrica a partir de ambas as extremidades. Essa combinação fez com que o solo sob o túnel descarregasse de duas direções simultaneamente, criando um padrão de dupla crista de assentamento e uma flexão ligeiramente maior do túnel, embora os valores absolutos tenham permanecido abaixo de cerca de dois milímetros.

Orientações práticas para escavações urbanas mais seguras

Para não especialistas, a principal mensagem é que a ordem em que estruturas subterrâneas são escavadas e moldadas não é um detalhe menor, mas uma escolha de projeto significativa. Ao favorecer sequências em que a escavação se aproxima gradualmente de túneis sensíveis a partir de regiões mais afastadas, e onde novas estruturas de concreto estão em posição cedo para substituir a resistência do solo removido, os engenheiros podem reduzir o assentamento do túnel em vários por cento sem adicionar novos equipamentos ou materiais. Embora o modelo use algumas simplificações e se concentre em diferenças relativas em vez de números exatos, ele oferece a planejadores e projetistas urbanos uma forma racional de escolher planos de construção mais seguros quando poços profundos e metrôs em operação precisam coexistir.

Citação: Sun, J., Dun, H., Chen, S. et al. Numerical analysis and optimization of the impact of complex foundation pit construction on the deformation of adjacent subway structures. Sci Rep 16, 15436 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46547-1

Palavras-chave: túnel de metrô, poço de fundação profundo, sequência de escavação, deformação do túnel, análise por elementos finitos