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CAPÍTULO 3
PROSPECÇÃO PARA DEFINIÇÃO DO MODELO GEOLÓGICO-GEOTÉCNICO
3.1 DIMENSIONAMENTO DA PROSPECÇÃO PARA INVESTIGAÇÃO
“Um bom modelo geológico permite aos geólogos e engenheiros envolvidos no Projecto
compreender as interacções dos diversos componentes que constituem a crusta terrestre e
tomar decisões técnicas racionais baseadas nessa compreensão. Em empreendimentos em
que não exista um modelo geológico adequado, apenas podem ser tomadas decisões ”ad hoc”
e o risco de problemas na construção devidos a condições geológicas não previstas é muito
elevado.” (Hoek, 1999).
Tendo em vista a definição dos traçados dos túneis, é recolhida informação fundamental nos
trabalhos de cartografia geológica já referidos no capítulo anterior. No entanto, no decorrer eaprofundar dos conhecimentos e exigências do projecto, tornam-se necessários novos
trabalhos que permitam obter indicações sobre o que se passa abaixo da superfície. Esses
trabalhos, designados por prospecção, tais como métodos geofísicos, sondagens, poços e
galerias, devem ser encaminhados de forma a, por um lado, permitir completar o modelo
geológico nos pontos onde existam dúvidas não esclarecidas pelo reconhecimento geológico
de campo, e por outro lado, facilitar a realização de ensaios in situ e a obtenção de amostras
para ensaios laboratoriais (Galera Fernández, 2000). As campanhas de prospecção podem
trazer grandes benefícios para a caracterização do maciço onde se pretende executar a obra,
desde que não sejam impedidas por restrições ambientais, especificações ou complicadas
condicionantes de execução. A cartografia geológica de superfície, com a inerente informaçãoprévia do local e condições geológicas regionais, assim como os acessos e o objectivo do
Projecto são condicionantes para o planeamento da campanha de prospecção (Quiralte López,
1998). No Quadro 3.1, representa-se a influência do meio geológico e do relevo no
planeamento da prospecção para túneis.
Os objectivos principais dos trabalhos de prospecção, tendo em vista o projecto de uma obra
subterrânea, são a obtenção de:
- dados para apoio na definição e/ou pormenorização do modelo geológico;
-
uma base para avaliação de potenciais problemas de instabilidade e para obtenção dosparâmetros necessários para a análise de estabilidade e dimensionamento dos suportes
e revestimentos;
- uma base para avaliação do custo e preparação dos elementos para concurso.
Como referido por Lombardi (2001), a quantidade de trabalhos de investigação a desenvolver é
estabelecida fundamentalmente por uma aceitável relação benefício/custo. Este exercício
pode-se tornar demasiado arriscado, não tanto por o custo dos trabalhos de prospecção estar
subestimado, mas pelo facto de os benefícios da prospecção serem, por definição, indefinidos.
Ou seja, com frequência só pode ser decidido se os benefícios dos trabalhos de prospecção
foram ou não válidos após estar concluída a campanha de prospecção prevista.
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CAPÍTULO 3 - PROSPECÇÃO PARA DEFINIÇÃO DO MODELO GEOLÓGICO-GEOTÉCNICO
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Quadro 3.1 - Influência do meio geológico e do relevo, na planificação de campanhas de prospecção para túneis(Quiralte López, 1998).
MEIOGEOLÓGICO
CARACTERÍSTICAS INFLUÊNCIA DA PROSPECÇÃO
Rochassedimentares emetamórficas deorigem sedimentar.
Formações relativamenteuniformes sobre áreasgeralmente extensas.Estruturas definidas eestratificadas. Rochas deorigem marinha geralmentemais uniformes e contínuasque as de origem continental.
Maior fiabilidade na extrapolação e interpretação tanto emplanta como em profundidade. Relativamente menor volume deprospecção. Bastante utilidade das sondagens.
Rochas ígneasextrusivas
Maior variação litológica queas rochas sedimentares.Estrutura estratificada.
Relativa fiabilidade na interpretação entre pontos e emprofundidade dependendo da origem, por ex. rochas basálticaspermitem maior homogeneidade na extrapolação que emrochas riolíticas. Necessidade de sondagens abundantes.Difícil interpretação de técnicas geofísicas.
Rochas ígneasintrusivas
Grande variação tantolitológica como na geometria
dos corpos intrusivos.
Maior dificuldade de interpretação e extrapolação que no resto.Difícil delimitação geométrica dos limites dos corpos intrusivos.
Bastante utilidade da Geofísica. Alinhamentosestruturais
Acidentes tectónicos. Tipo dedobras e orogenia.
Maior dificuldade na interpretação e extrapolação de estruturasque em formações litológicas. Necessidade de sondagens.
Relevo baixo Túneis superficiais. Coberturainferior a 100m.
Baixo custo relativo das sondagens. Bastante utilidade dageofísica.
Relevo moderado Túneis intermédios. Coberturade 100 a 500m.
Alto custo das sondagens. A campanha de prospecçãodepende dos acessos.
Relevo acidentado Túneis profundos. Coberturasuperior a 500m.
Condições adversas da prospecção, custo muito alto dassondagens. Acessos muito difíceis. Grande parte do trabalhobaseia-se em fotografia aérea e geologia de superfície.
Está pois implícito no dimensionamento de uma campanha de prospecção uma grande parte
de bom senso e intuição. O custo do acréscimo do comprimento de uma sondagem poderá nãotrazer benefícios quando se tem em vista, por exemplo, a pormenorização do dimensionamento
do revestimento de um túnel de pequeno diâmetro (Lombardi, 2001), entretanto, se esse
mesmo acréscimo de furação detectar uma zona de falha crítica para a estabilidade, então o
investimento ter-se-á justificado. Salienta-se ainda que, o custo da prospecção profunda para a
implantação de uma caverna poderá permitir ajustar a sua localização de forma a evitar que
esta seja intersectada por um alinhamento geológico com características desfavoráveis à sua
abertura, e, assim, permitir um decréscimo dos volumes de sustimento a aplicar.
Mas afinal qual o volume de prospecção adequado para uma determinada obra subterrânea?
Na realidade, apesar das tentativas de optimização e de estabelecimento de relaçõesbenefício/custo, o dimensionamento da prospecção acaba por ser decidido tendo por base o
senso comum e a intuição adquiridos com a experiência (que posteriormente se vêm a verificar
errados ou certos), mas também dependendo do suposto grau de incerteza e do objectivo da
campanha de prospecção, relacionado com aspectos contratuais e procedimentos. Não
existem regras, básicas ou profundas, para o dimensionamento da prospecção. A verdade é
que são mais frequentes os casos de obra em que após construção se considera que mais
prospecção teria permitido uma diminuição dos custos e dos prazos do que o contrário, isto é,
casos em que se considerou a prospecção excessiva (Lombardi, 2001).
Contudo, existe um limite razoável para os trabalhos a desenvolver na fase de projecto, que se
prende com a necessidade que a equipa projectista tem em obter conhecimento sobre as
formações geológicas, de forma a não estar limitada na caracterização global das formações
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onde serão realizadas as escavações, bem como de forma a poder diminuir a quantidade de
incertezas iniciais. A título de orientação, segundo Galera Fernández (2000), a experiência
parece indicar que, para um túnel de dificuldade média, se poderá aceitar, como valor
orientador, que o comprimento total das sondagens seja superior a 50% da dimensão
longitudinal do túnel. Hoek e Palmieri (1998), tendo por base dados de 84 túneis, coligidos pela
U.S. National Committee on Tunnel Technology (USNCTT, 1984), concluem que um volume
inadequado de prospecção por sondagens resulta num aumento significativo do custo da obra
(Figura 3.1). Esses acréscimos estão claramente associados a dificuldades derivadas de
imprevistas condições geológicas adversas.
Figura 3.1 - Variação do custo da obra em função do comprimento acumulado de sondagens (Hoek e Palmieri, 1998).
No entanto, no âmbito das obras subterrâneas, o recurso a trabalhos de prospecção não se
verifica apenas na fase de projecto. Muitas vezes é também necessário, já no decurso da
escavação, o recurso a sondagens ou métodos sísmicos para aprofundar o conhecimento domaciço na frente de escavação e, consequentemente, diminuir o grau de incertezas sobre o
que se irá encontrar para lá dessa frente. O modelo geológico é uma ferramenta dinâmica que
vai mudando à medida que aumenta a informação. Num empreendimento subterrâneo o maior
volume de informação aparece no decurso da escavação. O modelo geológico é
continuamente refinado à medida que se avança pelas diferentes fases do Projecto (Hoek,
1999).
Carvalho (1981), tendo por base diversos estudos e obras, realizados até 1981 em Portugal e
no Brasil, refere que em relação ao custo total de trabalhos realizados no âmbito da geologia
de engenharia para obras subterrâneas, até 10% é aplicado em métodos geofísicos, 40 a 80%
em sondagens com ensaios de permeabilidade, até 25% em ensaios in situ, 1 a 5% em
ensaios laboratoriais e 10 a 25% nos honorários dos técnicos.
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CAPÍTULO 3 - PROSPECÇÃO PARA DEFINIÇÃO DO MODELO GEOLÓGICO-GEOTÉCNICO
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No Quadro 3.2, apresentam-se os tipos de prospecção passíveis de utilizar nas diversas fases
dos trabalhos a desenvolver para o Projecto de obras subterrâneas.
Quadro 3.2 - Tipos de prospecção a desenvolver nas diferentes fases de Projecto de obras subterrâneas (baseado em
Quiralte López, 1998).
Fase doProjecto
Tarefa Conteúdo
Sondagens muito espaçadasProspecção
GeofísicaI - Preliminar aEstudo Prévio
Interpretação Mapas e cortes geológicos (1:25000 a 1:10000)
Sondagens
Poços ou trincheiras
GeofísicaProspecção
Ensaios in situ
Mapas e cortes geológicos (1:10000 a 1:1000) (#)Definição do modelo
geológico-geotécnico Propriedades geomecânicas
II - Projecto
Integração nodimensionamento
Comunicação e colaboração com restantes colaboradores no projecto
Cartografia geológica eclassificação do maciço
No interior do túnel
Galerias de reconhecimentoProspecção
Sondagens em avanço
Ensaios in situ Instrumentação
Monitorização
Interpretação Comparação com dados de projecto, revisão e adaptação do projecto
III - Construção
Integração na construção Seguimento e implementação de medidas construtivas e/ou correctivas
(#) Dependendo, por vezes, também da extensão do túnel.
3.2 PROSPECÇÃO GEOFÍSICA
Os métodos geofísicos são métodos disponíveis de prospecção indirecta. A prospecção
geofísica permite obter medidas de fenómenos físicos à superfície ou em furos. Os dados
obtidos são convertidos para calcular as propriedades geométricas e físicas da subsuperfície. A
selecção dos métodos apropriados, a proposta de métodos adequados para interpretação dos
dados, e os procedimentos de interpretação requerem os serviços de especialistas em
geofísica. Estes métodos de prospecção não destrutiva têm custos relativamente baixos.
Assim, se existir uma base razoável que permita a definição de um modelo do terreno parainterpretar a resposta obtida, a investigação geofísica pode ser um complemento valioso à
cartografia geológica e às sondagens. São métodos que têm sempre uma grande margem de
erro na interpretação, não devendo por isso ser utilizados como único método de prospecção.
A geofísica permite determinar a espessura de depósitos recentes, contactos entre litologias de
características muito contrastantes, espessuras de alteração, zonas de esmagamento, e o
módulo de deformabilidade dinâmico dos maciços, que varia com a fracturação. São muito
adequados para extrapolação dos resultados obtidos pela observação de testemunhos de
sondagens e de afloramentos. Podem ser utilizados debaixo de água e em terra. A
interpretação, sempre que possível, deve basear-se na geologia local.
São diversos os métodos geofísicos aplicados em prospecção: o radar, os métodos eléctricos,
a prospecção electromagnética, os métodos magnéticos, os métodos gravimétricos e a
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prospecção sísmica. Os métodos mais utilizados na prospecção geológico-geotécnica de uma
obra subterrânea são os eléctricos, os electromagnéticos e os sísmicos. Os métodos eléctricos
e os electromagnéticos proporcionam um sistema muito adequado na detecção e
caracterização de zonas de falha, enquanto que os métodos sísmicos têm mais versatilidade
de aplicação (Galera Fernández, 2000).
3.2.1 Métodos Sísmicos
Entre os diversos métodos de prospecção geofísica, os métodos sísmicos têm sido os mais
utilizados nos domínios da geotecnia e geologia de engenharia, tanto devido à correlação
existente entre os parâmetros sísmicos e as características mecânicas e físicas dos maciços,
como devido à sua simplicidade de aplicação (Coelho, 2000). Por essa razão, optou-se por
aprofundar esta metodologia.
A prospecção geofísica por métodos sísmicos utiliza a medição do tempo que um determinadosinal sísmico demora a percorrer uma distância conhecida, permitindo estimar o grau de
ripabilidade das formações, a geometria dos diferentes horizontes de terrenos e a detecção de
falhas, etc.
Aplicados a partir da superfície do terreno têm várias limitações e frequentemente
interpretações ambíguas. Uma das limitações prende-se com a presença de terrenos ou
materiais de cobertura de maior velocidade, sobrejacentes aos horizontes que se quer
prospectar. Nesta situação, grande parte da energia sísmica gerada à superfície é atenuada
nesta camada, impedindo a penetração da energia até aos níveis pretendidos. Esta limitação
tem sido uma das principais razões por que se obtêm resultados mais credíveis com osmétodos sísmicos em e entre furos de sondagem, tornando-se possível uma maior resolução
destes métodos na determinação dos parâmetros sísmicos na região mais profunda do maciço,
acedida pelos furos, dado que as ondas sísmicas percorrem percursos mais curtos e, como tal,
sofrem menor atenuação, para atingir esses alvos. Uma interpretação mais real deverá ser feita
relacionando os resultados da prospecção geofísica com os elementos de cartografia geológica
(Coelho, 2000).
É, no entanto, a aplicação do método à superfície que muitas vezes irá permitir o
dimensionamento da campanha de sondagens de uma forma mais refinada, pois o
investimento será aplicado criteriosamente nas zonas onde os resultados dos perfis sísmicosindicarem as possíveis anomalias geológicas. Pelo contrário, e como é evidente, a aplicação do
método entre furos necessita que a furação anteceda a geofísica.
Em meios urbanos, a grande dificuldade de aplicação da prospecção geofísica por métodos
sísmicos prende-se com a baixa fiabilidade dos resultados obtidos. Para a execução deste tipo
de prospecção é fundamental que não existam ruídos nem vibrações nas imediações,
devendo, por isso, estes trabalhos ser realizados de noite e com o tráfego interditado. Também
para a obtenção de resultados fiáveis, é fundamental que sejam conhecidas todas as infra-
estruturas recentes e antigas, mas também que seja considerada a espessura dos pavimentos.
Os métodos sísmicos aplicados entre furos permitem ultrapassar algumas destas dificuldades,
prospectando apenas em profundidade, onde as infra-estruturas e pavimentos não influenciam
os resultados. São no entanto mais onerosos que os ensaios sísmicos de superfície.
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Em meios não urbanos, a dificuldade na aplicação destes métodos à superfície, por meio de
perfis, prende-se com a morfologia dos terrenos, pois, para que os resultados sejam de fácil
interpretação, é fundamental encontrar um alinhamento aproximadamente rectilíneo para
implantação do perfil sísmico. De realçar também que a realização de um perfil de prospecçãogeofísica por métodos sísmicos necessita ser precedido de desmatação quando a densidade
de vegetação o exige.
3.2.1.1 Descrição do método
O método sísmico utiliza a propagação de ondas elásticas ou sísmicas, em três dimensões,
através do terreno, ou seja, a transmissão através do terreno do movimento ondulatório que
produz uma fonte de energia aplicada num ponto (Figura 3.2) e que se regista numa série de
sensores alinhados com essa fonte (Clayton et al., 2000). Num meio homogéneo, isotrópico e
em equilíbrio estático, de volume infinito, sobre o qual actua uma força de direcção obliqua àsua superfície, esta força pode ser decomposta em duas componentes, uma perpendicular à
superfície (tensão normal), que tende a aumentar com a distância, e outra tangencial, que
tende a fazer girar o elemento, recebendo o nome de tensão de corte. As tensões normais
produzem variações do volume na direcção dos eixos e são designadas por ondas de
compressão, ou ondas longitudinais (visto fazerem vibrar as partículas do terreno na mesma
direcção do raio da onda), ou ondas P (primárias - porque são as primeiras a serem registadas
nos terramotos). As tensões de corte produzem alterações de forma sem modificação do
volume e designam-se por ondas de corte, ou transversais (por fazerem vibrar as partículas de
terreno perpendicularmente à direcção da propagação), ou ondas S (secundárias - porque são
o segundo evento a ser observado no registo de um terramoto). Assim, para as ondas P omovimento das partículas é paralelo ao eixo de propagação, enquanto que, para as ondas S, é
perpendicular ao eixo de propagação. Próximo da superfície podem ainda ser detectadas as
ondas Rayleigh, que são ondas de superfície que se propagam a velocidades ligeiramente
inferiores às ondas S e as ondas Love, que são geradas entre dois materiais de diferentes
propriedades elásticas (Clayton et al., 2000). Na Figura 3.3 representa-se de forma
esquemática o comportamento das partículas constituintes do solo quando este é atravessado
por cada um dos tipos de ondas sísmicas.
3.2.1.2 Determinação de parâmetros do terreno
A velocidade de propagação das ondas sísmicas nos maciços depende fundamentalmente das
características mecânicas, da meteorização, da fracturação, da porosidade, da litologia, da
profundidade, das tensões e dos fluídos intersticiais. Dado que as ondas P são as de maior
velocidade, e, por isso, as primeiras a ser detectadas pelos geofones, são também as mais
utilizadas pela prospecção geofísica por métodos sísmicos. No entanto, dado que apresentam
algumas limitações quando utilizadas a cotas próximas da superfície, tem havido, nos últimos
anos, uma concentração no desenvolvimento de técnicas que permitam uma melhor utilização
das ondas S que, apesar da dificuldade da sua detecção visto chegarem após as ondas P,
sabe-se apresentarem uma maior amplitude, permitindo assim a sua melhor identificação
(Clayton et al., 2000).
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Figura 3.2 - Utilização de martelo como fonte geradora de diferentes tipos de ondas como método simples de produzirenergia em prospecção sísmica de pouca profundidade. P - ondas primárias; SHH - ondas secundárias; SV - ondassecundárias verticalmente polarizadas; SHV - ondas secundárias horizontalmente polarizadas (Clayton et al., 2000).
Figura 3.3 - Tipos de ondas sísmicas ou elásticas: a) onda de compressão ou onda P; b) onda de corte ou onda S;c) onda de superfície Rayleigh (Borm, 1990, in Ferreira, 1992).
A propagação de uma determinada onda P obedece à Lei de Snell (Figura 3.4). Essa onda,
gerada por um impulso instantâneo, propaga-se a uma determinada velocidade V1 no
horizonte de terreno H1 mais superficial. Quando encontra o horizonte de terreno H2, com
propriedades de terreno distintas (ou seja, uma descontinuidade), produz-se uma reflexão e
uma refracção. A propagação da onda P refractada passa então a possuir uma velocidade
V2=V1x(sin r)/(sin i). Um raio, que incide numa descontinuidade com um ângulo i, reflecte com
um ângulo simétrico e refracta com um ângulo r.
Raio incidente Raio reflectido
Raio refractado
Figura 3.4 - Lei de Snell (Merchán e Higueras, 2000).
Enquanto que as ondas P se propagam tanto pelos componentes sólidos do terreno, como pela
água contida nos poros, as ondas S apenas se propagam pelo solo, visto que a água não
apresenta resistência ao corte. É portanto fundamental saber se o solo está ou não saturado
a) b) c)
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quando da realização de ensaios de determinação da velocidade das ondas P (Vp), ou saber
se a densidade dos terrenos que se pretende ensaiar é garantidamente superior à da água.
Visto que, em maciços rochosos pouco alterados e pouco fracturados, a velocidade de
propagação das ondas P é claramente superior à da velocidade de propagação na água, não énecessária esta preocupação (Clayton et al., 2000).
Tornou-se prática corrente a caracterização mecânica e dinâmica dos maciços rochosos
através da utilização de correlações entre a velocidade de propagação das ondas e certos
parâmetros geotécnicos (Ferreira, 1992).
A análise do comportamento elástico linear de um terreno é possível a partir da velocidade de
propagação das ondas S (Vs), que é função do módulo de elasticidade transversal do terreno
modificado pelo seu estado de fracturação, dado que as deformações produzidas pelas ondas
sísmicas (não se considerando as produzidas pelos terramotos) são muito reduzidas.
/ ρGoVs = (3.1)
em que Vs - velocidade das ondas S,
Go - módulo de elasticidade transversal para deformações muito pequenas,
ρ - massa volúmica do terreno.
Dado que a massa volúmica dos terrenos não é muito variável, (1600kg/m 3 para um solo e
3000kg/m3 para uma rocha densa), a variação da velocidade das ondas S é um óptimo
parâmetro, tendo em vista a determinação do módulo de elasticidade transversal (ou módulo
de rigidez) para muito pequenas deformações dos terrenos (da ordem dos 10 -7), limite para o
qual ainda se poderá admitir um comportamento perfeitamente elástico para o terreno.
Também a velocidade das ondas P (Vp) se pode correlacionar com as propriedades elásticas
do terreno por:
Ε / ρVp )2 ρ(1
)-Ε (12 ≈=
−− ν ν
ν
(3.2)
em que Vp - velocidade das ondas P,
E - módulo de elasticidade dinâmico para pequenas deformações,
ν - coeficiente de Poisson, ρ - massa volúmica do terreno.
É ainda possível, conhecendo a velocidade de propagação das ondas P, estimar a qualidade
do maciço a partir da correlação Vp(km/s) ≈ logQ+3.5 (Barton, 2000), em que Q é o índice de
qualidade do maciço obtido da classificação de Barton (cf. Capítulo 4).
3.2.1.3 Método de refracção
Na prospecção geofísica por métodos de refracção sísmica são registadas nos geofones,
colocados à superfície do terreno, as ondas de refracção total, ou seja, as ondas refractadascujo ângulo de refracção r é igual a 90º. Isso implica que, pela lei de Snell, V2>V1, pelo que, a
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sísmica de refracção não detecta horizontes de baixa velocidade (menos densos), sob
horizontes de velocidades mais elevadas (mais densos) o que dificulta o trabalho de
investigação geofísica de pouca profundidade, onde frequentemente se encontram zonas
bastante heterogéneas (Ferreira, 1992) (Figura 3.5).
A prospecção geofísica, por meio da sísmica de refracção, mantém-se insuficiente para atingir
profundidades de investigação superiores a 35m sem perda de características de resolução,
não sendo, portanto, adequada à prospecção de maciços para túneis profundos.
Ondas reflectidas
Refracção Total
Sem Refracção Total
Refracção Total
Figura 3.5 - Inversão de velocidades em refracção e reflexão. A refracção não se verifica de V2 para V3 (Merchán eHigueras, 2000).
3.2.1.4 Método de reflexão
A prospecção geofísica por métodos de reflexão não tem as limitações impostas pela lei de
Snell para os métodos de refracção, parecendo ser sempre exequível a detecção de horizontes
de menores densidades sob horizontes de maiores densidades. É uma técnica que tem vindo a
ser aplicada com bons resultados, tendo em vista a construção de túneis a médias e grandesprofundidades (Attewell, 1995).
Utilizando uma técnica já há muito conhecida na indústria petrolífera, adaptada à geotecnia
(desde 1984), é possível, com a sísmica de reflexão, atingir os mesmos objectivos da técnica
de refracção, com a vantagem de ser possível alcançar profundidades de investigação de 700
a 1000m, obtendo-se a estrutura geológica do maciço que se pretende atravessar com o túnel,
detectando-se as falhas presentes na zona, contactos, etc., e, ainda, com a vantagem de se
poderem detectar os horizontes de velocidades menores que os sobrejacentes. A sísmica de
reflexão na indústria petrolífera desenvolve as suas investigações a profundidades que oscilam
entre os 800 e 6000m. Estando limitado o campo de investigação da prospecção geotécnicasubterrânea até cerca dos 1000m de profundidade, foi necessário adaptar a sísmica de
reflexão, tendo então surgido a Sísmica de Reflexão de alta resolução aplicada à Geotecnia,
notando-se uma diferença notável na aplicação de campo e tratamento em relação à técnica
que lhe deu origem (Merchán e Higueras, 2000). Ainda no domínio da engenharia civil, mas
também no de engenharia de minas, hidrogeologia e geologia estrutural, o método de reflexão
sísmica também tem vindo, desde os anos 80, a ser aplicado especialmente para prospecção a
pequenas profundidades, com o principal objectivo de determinar interfaces entre sedimentos e
substractos rochosos (Oliveira, 1998).
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3.2.1.5 Ensaios sísmicos em furos: “cross-hole”, “down-hole”, “up-hole” e tomografia.
Podem ser realizados ensaios sísmicos entre furos (“cross-hole”) (Figura 3.6), ou entre um furo
e a superfície. No segundo caso podem ser ensaios “down-hole”, em que são produzidas
fontes sísmicas à superfície e detectadas em vários pontos do furo, ou “up-hole”, em que a
geração de energia se dá no interior do furo de sondagem e a detecção se faz na superfície.
No uso destes métodos é fundamental que a interpretação dos resultados seja realizada em
conjunto com os diagramas das sondagens efectuadas para o efeito, dado que, por vezes, as
ondas sísmicas se propagam por zonas de maiores velocidades, podendo conduzir a
interpretações não adequadas (Clayton et al., 2000).
receptor Fonte sísmica
Figura 3.6 - Cross-hole. Ondas sísmicas propagam-se numa zona de maiores velocidades (V2), o que poderá resultarnuma falsa interpretação dos resultados, caso não se faça, simultaneamente, uma correcta interpretação dosresultados das amostras das sondagens BH (Pinches and Thompson, 1990, in Clayton et al., 2000).
O método sísmico de prospecção entre furos (Figura 3.7) ou entre um furo e a superfície
(Figura 3.8) permite, ainda, a elaboração de tomografia de velocidades sísmicas, que, segundo
Clayton et al. (2000), é um método muito útil por duas razões:
- pode fornecer informação da variabilidade geral numa determinada área e, por
inferência, permitir uma abordagem qualitativa sobre a variabilidade das propriedades,
como a deformabilidade e a resistência; particularidades como vazios, fracturas,
camadas de rochas e bolsadas, que são difíceis de detectar com técnicas pontuais,
como sondagens, são passíveis de identificação;
- pode ser usada para fornecer valores do G0 ou Gmáx.
3.3 PROSPECÇÃO MECÂNICA
Os métodos para observação directa do terreno variam com o tipo de terreno, a extensão da
zona a prospectar e a profundidade da obra. Os meios mais frequentes são valas, trincheiras,
poços, sondagens, e galerias em zonas escarpadas ou outras situações particulares.
A prospecção deverá ser dimensionada tendo em conta o objectivo de eliminar incertezas que
foram levantadas nas fases anteriores dos estudos realizados com base nos dados de
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superfície e prospecção indirecta, pois é impraticável que a campanha de prospecção seja
constituída por uma malha de sondagens apertada.
Figura 3.7 - Esquema representativo de um estudo de tomografia sísmica entre furos de sondagem (Ferreira, 1992).
falha
Superfície
Furo
Figura 3.8 - Esquema representativo de um estudo de tomografia sísmica entre um furo e a superfície, em que foidetectada uma falha (Clayton et al., 2000).
Os poços costumam ser usados em solos ou para prospecção pouco profunda. As sondagens
são utilizadas em qualquer tipo de formação e qualquer que seja a profundidade da obra.
Em zonas de cobertura reduzida, como no caso de túneis urbanos ou zonas de
emboquilhamento, poderá ser útil a realização de prospecção mecânica ligeira, como poços ou
trincheiras. Este método de prospecção poderá ainda permitir a realização de alguns ensaios e
a recolha de amostras superficiais, ou mesmo a detecção de contactos geológicos ocultos
pelos terrenos de cobertura. Não é, no entanto, um método de prospecção que permita atingir
grandes profundidades, estando as suas limitações condicionadas pelo braço das
escavadoras, geralmente utilizadas para o efeito.
Sondagens à rotação, com recolha contínua de amostras, são o método de prospecção directa
mais amplamente utilizado na geologia e geotecnia. A sua grande vantagem prende-se com a
possibilidade de observação directa das características do maciço a estudar. Além disso
permitem (Quiralte López, 1998):
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CAPÍTULO 3 - PROSPECÇÃO PARA DEFINIÇÃO DO MODELO GEOLÓGICO-GEOTÉCNICO
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- atingir maiores profundidades,
- a realização de ensaios,
- a recolha de amostras,
- a identificação de características hidrogeológicas,
- obter medidas indirectas da dureza e fracturação do maciço.
Por estas razões serão adiante tecidas algumas considerações sobre este método de
prospecção e a sua utilização nos projectos em meios urbanos e não urbanos.
As galerias de reconhecimento geológico, apesar de dispendiosas, permitem (Quiralte López,
1998):
- investigação de pormenor em zonas particulares,
- a realização de ensaios particulares,
- a instrumentação, controlo, drenagem, ventilação e injecções.
Serão referidas como meio de prospecção em projectos subterrâneos com particularidades
específicas.
3.3.1 Sondagens
Furar o maciço recolhendo amostras permite registar as características geológico-geotécnicas
que interessam à obra subterrânea. Outros métodos de furação que não impliquem a obtenção
de amostras não são geralmente adequados, porque a amostra é essencial como meio decaracterização do maciço, excepto quando é necessária a realização de trabalhos muito
específicos. Mesmo assim é importante que existam na mesma campanha de prospecção
sondagens com amostragem. O custo de uma sondagem na prospecção de um túnel é sempre
gasta quer ela seja feita quer não.
O testemunho de sondagem, obtido pelo amostrador do equipamento utilizado para a
realização desta, geralmente não excede os 3 metros de comprimento. Em Geologia de
Engenharia, a parte mais importante da amostragem é, geralmente, a relacionada com as
piores características do maciço, ou seja, zonas de fracturação intensa ou zonas de falha com
preenchimentos argilosos. Estas zonas de piores características geotécnicas, precisamente asque mais interessa caracterizar para o projecto subterrâneo, dificilmente são obtidas se as
técnicas de amostragem forem imperfeitas. Para garantir uma boa amostragem, o mínimo que
o amostrador deverá ser é um amostrador duplo. Por vezes, é também usada bentonite para
permitir obtenção de amostragem em maciços de difícil recuperação. No entanto é necessário
muito cuidado na utilização destas argilas, que podem mascarar as amostras mais alteradas.
Cuidados especiais devem ser tidos aquando da retirada dos testemunhos do amostrador, mas
também na escolha do diâmetro da amostra, pois um testemunho com pequeno diâmetro parte
com alguma facilidade e as fracturas, originadas pela furação em diaclases potenciais, são
difíceis de distinguir das diaclases existentes.
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OBRAS SUBTERRÂNEAS - ASPECTOS DA CONTRIBUIÇÃO DA GEOLOGIA DE ENGENHARIA NA CONCEPÇÃO E PROJECTO
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Uma outra forma de minimizar a perda de amostra, é usar um amostrador relativamente curto,
para evitar a fracturação da amostra ao penetrar o amostrador e o desgaste proveniente do
contacto entre testemunho dentro do amostrador.
Para sondagens com várias centenas de metros, necessárias na prospecção para projectos deobras subterrâneas profundas, a retirada do amostrador torna-se morosa e custosa, parecendo
ser desejável um amostrador mais comprido. Uma solução para este problema, será usar o
sistema de furação ”wire-line”, em que o amostrador pode ser içado por um cabo através do
interior oco das barras de furação, que só necessitam ser retiradas caso seja necessário
substituir o “bit” dessa furação (Johnson e DeGraff, 1988). Este tipo de prospecção apresenta,
no geral, custos elevados e está associado a empreitadas de longa duração, sendo portanto
limitado o seu emprego. Em sondagens que ultrapassem os 200m, parece razoável fazer um
controlo do posicionamento da sondagem pelo seu desvio (Galera Fernández, 2000) (Figura
3.9).
Figura 3.9 - Equipamento de Eastman muitishot® para controlo do desvio de sondagem (Diez López, 2000).
A realização de sondagens com recolha contínua de amostra, mesmo tratando-se de
sondagens de pouca profundidade (dezenas de metros), requer equipamento pesado, ou seja
de grandes dimensões. Em meios urbanos nem sempre é fácil a montagem de tal
equipamento, não se conseguindo instalar onde se pretende, ou transtornando o tráfego
normal de uma cidade. Atendendo, no entanto, às coberturas mais vulgares dos túneis
urbanos, é normalmente possível prospectar até profundidades que ultrapassem as soleiras
dos túneis (Figura 3.10).
Atendendo às maiores profundidades a que os túneis são construídos em meio não urbano, assondagens só pontualmente atingem a zona do túnel. O recurso à prospecção mecânica tende
a concentrar-se em zonas de potenciais falhas e nos emboquilhamentos, local onde
geralmente é possível atingir a obra (Figura 3.11).
Nas sondagens, quer carotadas quer destrutivas, há sempre o interesse em executar vários
tipos de registos, ensaios in situ (diagrafias, ensaios de permeabilidade), filmagem por
câmaras, etc., de forma a rentabilizar o investimento. Em solos é frequente realizarem-se
ensaios de penetração.
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CAPÍTULO 3 - PROSPECÇÃO PARA DEFINIÇÃO DO MODELO GEOLÓGICO-GEOTÉCNICO
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Figura 3.10 - Perfil geológico de um túnel em meio urbano em que as sondagens (S) ultrapassam a soleira daescavação. Linha Amarela do Metropolitano de Lisboa (Melâneo, 2000).
Figura 3.11 - Perfil geológico de uma obra subterrânea em meio não urbano, em que a maioria das sondagens nãoatinge o túnel. Aproveitamento de Fins Múltiplos do Caldeirão, túnel de derivação Mondego-Caldeirão (adaptado deNeiva et al., 1994).
A realização de sondagens requer sempre a elaboração do seu diagrama (“log”). Nesse
diagrama deverá ficar registado:
- a identificação da sondagem;
- pormenores do contrato, local, coordenadas, cota, orientação e inclinação;
- método de furação, amostragem e dados do equipamento;
- registo da progressão da furação, com particular ênfase para a localização de ensaios ou
recolha de amostras intactas;
- registo da profundidade do nível freático e variações dos caudais de furação;
- descrição geológica pormenorizada, que deverá incluir, além da descrição litológica, o
grau de alteração, cor, granularidade ou granulometria;
ESCALA
S
S SS S
S S SS
S S SS
S
S S SS S S S
S S
S
S
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- grau de alteração e fracturação;
- recuperação e RQD.
3.3.2 Galerias de Reconhecimento
As galerias de reconhecimento geológico são realizadas para a prospecção de obras
subterrâneas apenas para situações muito particulares, e após a análise de toda a informação
obtida pela prospecção realizada anteriormente. Quando a síntese dessa informação conduz a
uma incerteza que poderá implicar custos elevados para a obra, por exemplo no caso do
projecto de uma caverna, o custo da execução deste tipo de prospecção será um investimento
cujo benefício é elevado.
As galerias são de grande interesse para a avaliação das características geológicas e
hidrogeológicas, mas também para a obtenção de características in situ, como as da
fracturação, difíceis de avaliar pelas sondagens e pela prospecção geofísica. Quando se
justifica a realização de uma galeria de reconhecimento geológico, é imperativo o levantamento
exaustivo das características das descontinuidades e a cartografia geológica de pormenor das
superfícies escavadas, assim como das zonas de percolação de água (Attewell e Farmer,
1975) (Figura 3.12).
Figura 3.12 - Método para registo das características geológicas em galerias de reconhecimento e túneis (Knill e Jones,1965, in Attewell e Farmer, 1975).
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Estas galerias, que, de uma forma geral permitem avaliar o comportamento do maciço quando
o seu estado de tensão é alterado após escavação, são ainda adequadas para a realização de
ensaios in situ, que possibilitam a determinação de parâmetros essenciais para o
dimensionamento das escavações, como o módulo de deformabilidade e o estado de tensão insitu. Pode ser muito útil a leitura de convergências em galerias de reconhecimento geológico,
como meio de avaliação de comportamento aquando da execução da obra propriamente dita
(Darcy e Péra, 1990).
É, no entanto, fundamental a noção de que uma galeria de reconhecimento poderá não traduzir
o comportamento da escavação que posteriormente venha a ser realizada, não deixando de
ser um tipo de prospecção pontual. Como em qualquer prospecção e/ou ensaio realizado no
meio geológico, a noção de efeito de escala deverá ser tida em consideração no momento de
recolha de informação no interior da galeria de reconhecimento (Figura 3.13).
Figura 3.13 - Representação simbólica do efeito de escala (adaptado de Cunha, 1993).
3.4 CARACTERIZAÇÃO HIDROGEOLÓGICA
Em obras subterrâneas, é fundamental conhecer a permeabilidade dos maciços, a localização
sazonal dos níveis freáticos, as pressões da água, e a sensibilidade do terreno às variações
dessas pressões.
Maciço rochoso
Rocha diaclasada
Rocha com uma diaclase
Rocha intacta
Tamanho
Propriedades
Galeria
Caverna
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A previsão dos caudais de água que terão que ser bombeados durante o processo de
escavação e mesmo durante a vida útil da obra é de importância fundamental.
Se, regra geral, a permeabilidade dos maciços rochosos decresce com a profundidade, existem
algumas excepções: maciços competentes fracturados, maciços cársicos, zonas deesmagamentos na proximidade de falhas com argila. Em maciços graníticos, a presença de
água termal de origem profunda é difícil de prever (Darcy e Péra, 1990). A análise química e
isotópica da água encontrada durante os trabalhos de reconhecimento geológico poderá ajudar
na previsão desta situação.
A água agrava as condições de estabilidade das escavações em terrenos sem coesão ou em
terrenos argilosos (podendo originar fenómenos de expansibilidade), por exemplo em zonas de
falha. Noutros tipos de maciços, por exemplo ricos em gesso, a água pode criar vazios por
dissolução. Mesmo em terrenos de rochas ígneas granulares, como os granitos, ou em rochas
metamórficas, como gnaisses, micaxistos ou filádios, em locais bastante fracturados, a invasãoda água sob pressão pode conduzir a zonas facilmente colapsáveis e que necessitam cuidada
estabilização quando da escavação do túnel ou caverna.
Devem ser portanto considerados importantes os trabalhos de caracterização hidrogeológica,
devendo também ser feito algum investimento nos trabalhos de prospecção neste campo.
No decurso da execução das sondagens, deve ser, no início diário dos turnos, registado o nível
de água nas sondagens. Deverão também ser realizados ensaios de permeabilidade tipo
“Lugeon” ou “Lefranc”, caso se esteja perante rochas ou solos, como forma expedita de
caracterizar a permeabilidade dos terrenos.
Nos estudos de impacte ambiental, deverão ser analisadas as hipóteses de alteração dos
níveis de água à superfície.
A avaliação da permeabilidade em zonas urbanas é também essencial, devido à necessidade
de avaliar potenciais assentamentos causados pelos rebaixamentos dos níveis freáticos. Caso
se considere necessário, deverão ser realizados ensaios de bombagem que, contrariamente
aos ensaios de permeabilidade, são caracterizadores da permeabilidade numa zona
envolvente ao furo, permitindo estudar a percolação num volume de maciço mais abrangente e,
portanto, mais próximo da realidade.