1. Introdução

Um problema técnico frequente é a interação entre os novos canteiros de obras e a infraestrutura existente. As diferentes partes de uma infra-estrutura são geridas para uma determinada vida útil, como é o caso da Rede do Metrô de Barcelona, cujo estado atual foi definido de forma ordenada entre 2000 e 2003 deixando, entre outros documentos, um túnel virtual de 92km a partir daí, com a geometria da seção transversal e a lista de danos e disfunções para a sua gestão. Os primeiros quilômetros do túnel datam de 1924 e, logicamente, a administração responsável (Generalitat de Catalunya) e a entidade que o gere (Transports de Barcelona, SA) obrigam que os novos edifícios construídos dentro da área de influência das suas infra-estruturas sejam verificados se eles não afetam o uso e o serviço da rede, ou sua estrutura. Para isso, entre outras coisas, exige que a área afetada seja avaliada estruturalmente, fornecendo as informações estruturais disponíveis, e que sejam registrados os movimentos que ocorrerem na infraestrutura durante a construção da nova obra, agindo de acordo.

Para fazer isso, às vezes as medições são feitas com teodolitos monitorados em vários pontos da seção transversal. Se se deseja mais precisão para avaliar os riscos, uma ferramenta muito válida é a tecnologia da fibra óptica que, aderida à superfície, permite medir microdeformações, por exemplo, nas seções transversais centímetro a centímetro.

Essa tecnologia consiste na utilização de um refletômetro óptico de retroespalhamento denominado sistema OBR (Optical Backscatter Reflectometer) como ferramenta de monitoramento, neste caso, de uma estrutura de concreto armado de um túnel com segmentos da Linha 9 em Barcelona, ​​que poderia apresentar fissuras ou disfunções em serviço, em consequência da construção de um edifício parcialmente efetuada na referida seção do túnel.

A principal característica do sistema OBR é sua grande sensibilidade e alta resolução espacial através do uso de fibra óptica como sensor. Isso produz registros de deformação nos quais a presença de fissuras pode ser identificada e localizada.

Ao longo deste túnel será construído um edifício, estando todo o processo modelado: fundação, laje de fundação, execução da estrutura e carregamento de todos os subsistemas que integram o edifício (fachadas, pavimentos, divisórias, instalações, ...) .

Para essas etapas de carregamento, são estabelecidos os valores esperados, e é criado um plano de contingência com avisos, alertas e alarmes caso sejam ultrapassados. À medida que o trabalho avança, a instrumentação efetuada no túnel com a fibra óptica regista os valores obtidos de forma contínua ou semicontínua, o que nos permite conhecer a todo o momento as possíveis disfunções que ocorrem na seção (ovalizações, microdeformações, novas fissuras, etc.) e agir em conformidade. O prazo previsto para a execução da obra é de 18 meses, uma vez terminada a obra, poderá ser mantida a instrumentação e efetuadas leituras quando, por exemplo, ocorrerem incidentes e pretende-se avaliar o seu impacto na estrutura do túnel a partir do qual se encontra seu "histórico de carregamento”.

A fibra óptica, que como sistema de monitoramento contínuo é resistente à água e à corrosão, evita problemas de interferência eletromagnética e correntes parasitas que ocorrem em outras técnicas, e permite leituras simultâneas de até 5.000 pontos da estrutura em estudo.

O objetivo deste trabalho é verificar se um túnel não é estruturalmente afetado durante o período de construção de um edifício, por meio da instrumentação de trechos do primeiro em que são medidas as microdeformações que ocorrem, e comparadas com o do modelo. Desta forma, as ovalizações e tensões na abóbada podem ser apreciadas durante as diferentes fases do processo de construção.

2. Modelagem e instrumentação do túnel

A modelagem das diferentes etapas foi realizada com o programa SAP2000 e o PLAXIS bidimensional, e apresentou, com base na geometria definida na Figura 1, os seguintes resultados indicados na Tabela 1 e Figura 2:

Figura 1 Geometria da seção de cálculo. 

Figura 2 Primeiro mecanismo de falha encontrado, para um fator de segurança de 2,29. 

Como consequência do exposto, foi estabelecido um plano de contingência, o qual está resumido na Tabela 2:

O túnel instrumentado L9 é uma seção típica com faixas sobrepostas e laje intermediária. A fibra óptica foi colocada no perímetro da seção transversal, sempre de acordo com a Propriedade. A Figura 3 mostra seu posicionamento. A colocação das fibras foi realizada seguindo o perímetro de uma seção transversal na posição indicada no plano.

Figura 3 Planta detalhada do prédio em relação ao túnel do metrô e trecho da rota de fibra ótica. 

A instrumentação proposta mede microdeformações na seção transversal do túnel, ou seja, os possíveis movimentos ou disfunções da seção transversal.

Na leitura zero inicial com a fibra óptica, é feita uma lista das disfunções atuais (fissuras, umidade, fissuras, rugosidade anormal, etc.) A Figura 4, a Figura 5 e a Figura 6 mostram algumas das disfunções detectadas na coleta inicial de dados.

Figura 4 Juntas na laje da via, existentes a cada 25m. 

Figura 5 Vazamento (lixiviação da cal do cimento). 

Figura 6 Rugosidade e parafusos de fixação que podem afetar a colocação da fibra. 

Em cada leitura posterior colocadas nas diferentes fases da obra (antes do início, esvaziamento, acabamento da fundação, estrutura e final da obra), são medidas as microdeformações nos perímetros das seções transversais, comparadas com o modelo executado e emitido relatórios. Quando os critérios de ovalização prescritos nos regulamentos forem ultrapassados ​​ou forem detectados defeitos, as ações serão tomadas de acordo com o protocolo do plano de contingência estabelecido.

Isto permite detectar as principais alterações no comportamento estrutural do túnel e obter informações que servirão para avaliar a sua segurança estrutural, durante a construção do edifício, no final das obras e ao longo da sua vida útil.

2.1 Esquemas de posicionamento

Todo o sistema de monitoramento foi localizado na zona estratégica suscetível à possível dinâmica e evolução da resposta estrutural (variações de microdeformações-tensões, movimentos, possíveis aumentos e/ou desenvolvimento de mapas de fissuras, etc.) do túnel ao longo da obra de construção civil. Este sistema de instrumentação foi selecionado considerando as condições de trabalho a que estará submetido (variação térmica, condições de uso, etc.).

O escopo do monitoramento usado é mostrado abaixo (ver Figura 7).

Figura 7 Esquema geral do túnel. Elevação e planta. A linha vermelha indica o caminho da fibra óptica.  

O comprimento real de monitoramento do túnel é ajustado ao comprimento real de uma seção transversal e de uma seção longitudinal, sendo esta uma distância de 50,00m de comprimento. Ou seja, a fibra óptica FOD1 (Fibra Ótica Distribuída) é fixada 40m e os últimos 10m foram mantidos na bobina contendo a fibra óptica (não fixada), que foi fixada na estrutura com fita adesiva. Este detalhe pode ser visto na Figura 8, Figura 9 e Figura 10, juntamente com o sistema instalado dentro da seção transversal do túnel.

Figura 8 Carretel de fibra ótica restante sujeito à estrutura e ODiSI (Optical Distributed Sensor Interrogator, da LUNA Technologies, Modelo A50) em operação. 

Figura 9 Vista geral do túnel na seção instrumentada. 

Figura 10 Fibra ótica protegida sob os trilhos do trem. 

A Figura 11 mostra o procedimento de aderência realizado com a fibra ótica na laje da via da pista 2 e na abóbada do túnel.

Figura 11 Procedimento de aderência de fibra ótica na laje da via 2 e na abóbada do túnel. 

3. Resultados e discussão.

3.1 Resultados do modelo

As tensões e deslocamentos no túnel foram obtidos antes, durante e após a construção do edificio por meio de um método de cálculo de elementos finitos na hipótese de deformação plana. O programa de computador usado é o PLAXIS v8.

Os resultados mais significativos obtidos com o monitoramento proposto são detalhados a seguir. A Figura 12 mostra a seção seccional do túnel com a tramificação FOD.

Figura 12 Tramo da seção do túnel e tramificação FOD. 

A Tabela 3 a seguir mostra a identificação da Figura 13, Figura 14, Figura 15, Figura 16 e Figura 17 com o processo de trabalho realizado:

Tabela 3 Identificação de figuras. 

Figura	Proceso de obra	Dia / Intervalo de dias	Comprimento de FOD
Figura 13	Estado inicial	4 out.	Comprimento total: 50 m
Figura 14	Pré-escavação	7 out.	Comprimento total: 50 m
Figura 15	Escavação	18 out. – 07 nov.	Comprimento total: 50 m
Figura 16	Concretagem da fundação	13 dez	Comprimento total: 50 m
Figura 17	Evolução temporal	4 out. – 17 mai.	Comprimento total: 50 m

ESTADO INICIAL

Figura 13 Estado inicial e de calibração. Comprimento 50m do FOD. Visão axonométrica e frontal. 

PRÉ-EXCAVAÇÃO

Figura 14 Pré-escavação. Comprimento 50m do FOD. Visão axonométrica e frontal. 

ESCAVAÇÃO

Figura 15 Escavação completa. Comprimento 50m do FOD. Visão axonométrica e frontal. 

EXECUÇÃO 1ER TRAMO FUNDAÇÃO

Figura 16 Execução do primeiro trecho da laje de fundação. Comprimento 50m do FOD. Visão axonométrica e frontal. 

EVOLUÇÃO TOTAL

Figura 17 Evolução temporal de 4 de outubro e 17 de maio. Comprimento 50m do FOD. Visão axonométrica e frontal. 

Em seguida, na Figura 18 e Figura 19, o registro das leituras em 6 pontos críticos é incorporado ao longo da seção da abóbada do túnel.

Figura 18 Identificação de pontos de controle críticos na abóbada do túnel. 

Figura 19 Evolução temporal de 4 de outubro de 2018 a 17 de maio de 2019 em pontos de controle críticos. 

Em geral, observa-se que:

1. A seção da fibra entre 40 e 50m 🡪 corresponde à área da via. Nesta seção é onde há mais excitação da fibra dada a etapa do trilho. A vibração provocada pelo cruzamento da ferrovia faz com que neste trecho haja mais distorção de leituras. Mesmo assim, observa-se como essas variações de microdeformações registradas tendem a aumentar na compressão, o que é coerente no que diz respeito à descompressão e ovalização sofrida pela seção curva do túnel e que faz com que a laje atue como escora à esta ação. A ovalização do túnel é explicada no próximo ponto. Da mesma forma, em nenhum caso os valores obtidos ultrapassarão o limite de advertência estabelecido no Plano de Monitoramento e Contingência.

2. A seção da fibra entre 23 e 40m 🡪 corresponde à área da abóbada. Nesta seção observa-se como, em geral, houve um aumento das microdeformações de compressão ao longo da instrumentação. Isso se deve à descompressão ocasionada pela escavação e esvaziamento da terra da obra, de forma que esta descompressão produz uma certa “ovalização” do trecho, que se traduz em um aumento da compressão na fibra interna do trecho (a fibra interna da seção é comprimida e a fibra externa da seção é descomprimida). Percebe-se claramente como passa de uma cor verde (nula e deformação inicial) para uma cor azul que indica compressão. Da mesma forma, em nenhum caso os valores obtidos ultrapassarão o limite de advertência estabelecido no Plano de Monitoramento e Contingência.

3. Em relação à análise de tensões e a partir da definição do módulo de deformação longitudinal secante Ec do concreto e para um estado de tensão em condições de serviço, ou seja, para um estado ou estágio elástico onde as tensões das fibras de concreto da seção são proporcionais às deformações, entende-se que, mesmo observando esse aumento em ????, não induzem tensões excessivas no mesmo.

4. A seção de fibra entre 10 e 23m 🡪 corresponde à seção de monitoramento longitudinal. Os valores de compressão e tensão são observados nesta área, mas ao longo de sua evolução foram constantes em todos os momentos, ou seja, sem variação no que diz respeito à origem das leituras e calibração. Esse fato indica que nesta seção não houve variações na resposta à estrutura, ou seja, as ações realizadas não ocasionaram alterações de resposta apreciáveis na estrutura.

5. A seção de fibra entre 0 e 10m 🡪 corresponde à seção de fibra não colada. Nesta área, observa-se uma evolução linear sem alterações diferenciais, onde se verifica que não existem variações substanciais de temperatura que induzam variações significativas de tensão, de forma que não influenciam nas áreas restantes de FOD aderidas.

Da mesma forma, podem ser observados picos e/ou descontinuidades obtidos com o monitoramento, que correspondem às áreas de ligação entre trechos dos segmentos onde a fibra ótica sofre uma desaderência com o concreto, já desde sua implantação na origem. Esses picos permanecem estáveis no que diz respeito à sua localização.

4. Conclusões

A utilização de sensores de fibra ótica (Optical Backscatter Reflectometer) é uma tecnologia promissora para o monitoramento do estado estrutural, pois permite o monitoramento contínuo no tempo e no espaço da tensão e da temperatura ao longo da fibra.

Será efetuada o monitoramento de um tramo de túnel, o que envolve, até a data, o controle da estrutura em serviço durante os oito meses (outubro 2018 - maio 2019) que abrangem as obras de construção da estrutura de um edifício na via, até o nível do 1º andar, na área de construção acima do túnel.

O monitoramento tem servido para identificar e caracterizar tecnicamente os aumentos das tensões de tração e compressão, em decorrência das diferentes fases da obra, desde antes do início, com as leituras de calibração anteriores até a fase de construção da estrutura, na qual nos encontramos. O monitoramento continuará até o final das obras, previsto para novembro de 2020.

Durante este período de 8 meses, as variações de microdeformação da fibra FOD 1 foram de 153, o que, traduzido em tensões, representa uma variação máxima de tensão de 5,75MPa.

Esses valores são aceitáveis para este tipo de estrutura, pois são valores de compressão no concreto. Por outro lado, esses valores incluem efeitos térmicos.

Com base nas variações obtidas no monitoramento da fibra FOD 1 ao longo deste meio ciclo térmico, pode-se considerar que o impacto da ação térmica no túnel foi desprezível

Uma vez confirmado que o túnel está em condições de segurança adequadas e concluída a obra, será disponibilizado um registro permanente para acesso ao trecho, podendo serem feitas leituras intermitentes ao longo de sua vida útil para determinar o comportamento diferido. Isso foi levantado dentro do plano obrigatório de manutenção do túnel.