Análise analítico-numérica de confiabilidade aplicada à modelagem geomecânica de túneis profundos reforçados por tirantes passivos

Abstract

A estratégia de análise de confiabilidade é uma alternativa eficiente que pode ser útil nas etapas de dimensionamento de um túnel, onde é possível estimar uma probabilidade de ocorrência de falha estrutural e demais parâmetros de segurança. Este trabalho é realizado um amplo estudo de confiabilidade aplicada à análise do comportamento mecânico de túneis em axissimetria. O estudo consiste na análise de três túneis distintos: o primeiro apenas revestido por concreto projetado e os demais reforçados por tirantes passivos radiais e frontais. Para o primeiro túnel, foi utilizada a modelagem através do software em elementos finitos GEOMEC91, considerando um critério de plasticidade de Mohr-Coulomb para o maciço escavado. Para os demais túneis com tirantes, foi utilizada uma abordagem analítica considerando o critério de plasticidade de Tresca, além da modelagem via GEOMEC91, baseada no critério de plasticidade de DruckerPrager, ambas fundamentadas pelo Método de Homogeneização. As análises de confiabilidade são realizadas por meio do Método de Monte Carlo e pelo First-Order Reliability Method (FORM), utilizando a linguagem computacional Python. O Método da Superfície de Resposta (MSR) fornece aproximações analíticas para viabilizar a aplicação da confiabilidade associada aos modelos computacionais. Os resultados mostram uma excelente aproximação entre os parâmetros de confiabilidade obtidos, o que verifica o funcionamento dos métodos de confiabilidade adotados. Os resultados paramétricos dos túneis, obtidos pelas aproximações analíticas através do MSR, apresentam excelente concordância com os resultados da modelagem via GEOMEC91. Os parâmetros de confiabilidade obtidos indicam a importância do concreto projetado na contenção dos deslocamentos radiais e da zona plástica da escavação, os tirantes radiais e frontais atuam de forma secundária no aumento da confiabilidade e na estabilidade da parede e da frente de escavação. Em todos os casos estudados, foram obtidas probabilidades de falha estrutural abaixo e próximas de 1,0% para as melhores condições estruturais dos túneis.

Reliability approach is an efficient alternative that can be useful in the tunnel design steps, where it is possible to estimate the structural failure probability occurrence and other safety parameters. This work proposes a broad reliability study applied to mechanical behavior analysis of tunnels in axisymmetry. Three different tunnels were analysed: first considering just shotcrete line, and the others reinforced with radial and frontal passive rockbolts. The computational modeling through the finite element software GEOMEC91, considering a MohrCoulomb plasticity criterion, was used in the first tunnel. Considering the tunnels with rockbolts, an analytical approach in the context of the Tresca plasticity criterion was used, as when as numerical modeling with GEOMEC91 in which to Drucker-Prager plasticity criterion is considered. Both the two last analyses were based on the Homogenization Method. Reliability analyzes are performed using the Monte Carlo Method and the First-Order Reliability Method (FORM), using Python language. The Response Surface Method (RSM) provides analytical approximations to enable the application of reliability associated with computational models. The results show an excellent approximation between the obtained reliability parameters, which verifies the functionality of the adopted reliability methods. The tunnels parametric results, obtained by the analytical approximations through the RSM, present excellent agreement with the results of the modeling through GEOMEC91. The reliability parameters indicated the importance of shotcrete in the containment of radial displacements and the plastic zone of the excavation, the radial and frontal rockbolts act in a secondary way in increasing the reliability and stability of the wall and excavation front. In all cases studied, structural failure probabilities below and close to 1.0% were obtained for the best structural tunnel’s conditions.