O presente trabalho descreve sistemas computacionais que estão em fase de
desenvolvimento e aperfeiçoamento e que servirão para a análise de risco dos túneis da rede de
comboios de alta velocidade a ser construída em Portugal. Um dos sistemas, designado GEOPAT,
serve para prever parâmetros geomecânicos para a modelação de obras subterrâneas. Neste trabalho
serão apresentadas duas aplicações que já foram efectuadas nesta fase de desenvolvimento do
sistema a duas importantes obras subterrâneas construídas no Norte de Portugal. O outro sistema,
designado MATUF, está vocacionado para o apoio a operações de manutenção e inspecção dos
túneis

Correia, A. Gomes

Miranda, Tiago F. S.

Silva, Cristina

Sousa, L. R.

Universidade do Minho: RepositoriUM

Desenvolvimento de Sistemas de Inteligência Artificial para Análise de Risco em Túneis  Tiago Miranda e António Gomes Correia Departamento de Engenharia Civil, Universidade do Minho, Guimarães, Portugal  Cristina Silva Instituto Superior de Engenharia do Porto, Porto, Portugal  Luís Ribeiro e Sousa LNEC e Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal  RESUMO: O presente trabalho descreve sistemas computacionais que estão em fase de desenvolvimento e aperfeiçoamento e que servirão para a análise de risco dos túneis da rede de comboios de alta velocidade a ser construída em Portugal. Um dos sistemas, designado GEOPAT, serve para prever parâmetros geomecânicos para a modelação de obras subterrâneas. Neste trabalho serão apresentadas duas aplicações que já foram efectuadas nesta fase de desenvolvimento do sistema a duas importantes obras subterrâneas construídas no Norte de Portugal. O outro sistema, designado MATUF, está vocacionado para o apoio a operações de manutenção e inspecção dos túneis.  PALAVRAS-CHAVE: Túneis, Sistemas Baseados em Conhecimento, Modelação Numérica.   1 INTRODUÇÃO  Portugal encontra-se perante uma nova forma de integração europeia, o sistema transeuropeu de transportes de comboios de alta velocidade, que irá reduzir o problema de infra-estruturas do país. Estão planeadas várias ligações entre Portugal e Espanha, bem como a ligação Lisboa-Porto. A rede projectada ligará as principais cidades do país e servirá cerca de 80% da população e da economia portuguesa. Em Portugal existe pouca experiência no uso de análises de risco para avaliação de estruturas subterrâneas. Com a rede de comboios de alta velocidade, que envolverá a construção de túneis de grande extensão, o desenvolvimento de estudos de risco geotécnico vai adquirir grande importância para o país.  Encontra-se em desenvolvimento um projecto de investigação subsidiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) no âmbito da análise de risco para túneis ferroviários de alta velocidade. O projecto envolve, em Portugal, o Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) e a Universidade do Minho (UM) e tem o suporte activo da empresa RAVE responsável pelos estudos e desenvolvimento da rede ferroviária de alta velocidade em Portugal e suas conexões com Espanha.  No âmbito deste projecto está previsto o desenvolvimento de sistemas computacionais com recurso a técnicas de inteligência artificial em várias áreas, nomeadamente, na análise de risco e caracterização de maciços e o estabelecimento de metodologias para a manutenção e segurança de túneis ferroviários.  Neste trabalho apresentam-se sistemas computacionais que se encontram em fase de desenvolvimento e que se constituirão como novas ferramentas para o estudo e a análise do risco geotécnico em túneis para comboios de alta velocidade focando as problemáticas anteriormente referidas. O GEOPAT é um sistema baseado em conhecimento (SBC) que está em fase de aperfeiçoamento e foi desenvolvido para a previsão de parâmetros geomecânicos, de deformabilidade e resistência, contemplando os casos de maciços rochosos, terrosos e heterogéneos. Estão já em desenvolvimento outros módulos para a previsão dos parâmetros que recorrem a modelos induzidos por técnicas de data mining aplicadas a uma alargada base de dados. O outro sistema, designado MATUF é também um SBC que foi inicialmente desenvolvido para a manutenção e inspecção de túneis ferroviários antigos. Encontra-se actualmente em início de desenvolvimento para os túneis ferroviários de alta velocidade a construir em Portugal. Faz-se referência a algumas aplicações do sistema GEOPAT a uma estação subterrânea do Metro do Porto e a um complexo subterrâneo de uma central hidroeléctrica.   2 SISTEMA GEOPAT  O GEOPAT é um SBC para a previsão de parâmetros geomecânicos em formações graníticas para maciços rochosos, terrosos e heterogéneos para a modelação de obras subterrâneas.  Este sistema foi desenvolvido baseado em conhecimento sistematizado e organizado obtido por especialistas em túneis e caracterização geomecânica, em pesquisa bibliográfica e em estudos detalhados sobre as expressões e hipóteses a considerar. Para organizar este conhecimento estabeleceram-se redes causais. O GEOPAT pretende ser uma ferramenta importante no apoio à decisão.   2.1 Formações rochosas  A avaliação do módulo de deformabilidade em maciços rochosos (EM) foi estabelecida através de um estudo comparativo de várias expressões encontradas na literatura (Miranda, 2003). Através da ponderação e da experiência de alguns especialistas, foi seleccionado um grupo de expressões e a algumas foram colocadas restrições. A Tabela 1 sumaria as expressões adoptadas.  Para o cálculo dos parâmetros de resistência utiliza-se o critério de rotura de Hoek-Brown (Hoek et al., 2002).  A informação geomecânica pode ser introduzida no sistema de duas maneiras distintas. Na primeira os sistemas empíricos RMR e Q são aplicados e eventualmente os valores da matriz de interacções, como formulado por Hudson (1992). Na segunda, a informação é inserida de uma forma mais expedita considerando a introdução directa do valor de GSI. A Figura 1 apresenta a janela relativa ao sistema RMR.  Tabela 1. Expressões para o cálculo do módulo de deformabilidade em maciços rochosos. EM  Limitações ( )401010−= RMRME                 (1) RMR ≤ 80 1002 −= RMREM              (2) RMR >50 e σc>100MPa ( ) ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛ +=82,22/29,00028,0RMRRMeRMREE    (3) - ( )40101010021−⎟⎠⎞⎜⎝⎛ −= GSIcM DE σ  (4) σc ≤ 100MPa ( )40101021−⎟⎠⎞⎜⎝⎛ −= GSIM DE  (5) σc > 100MPa 3110QEM =  (6) - 14,06,05,1 RM EQE =  (7) EM ≤ ER e Q ≤ 500 Obs.: σc – resistência à compressão uniaxial da rocha intacta; ER – modulo de deformabilidade da rocha intacta; D – factor de perturbação do maciço rochoso devido à libertação de tensões e aos rebentamentos.    Figura 1. Janela relativa ao sistema RMR.   Os valores de EM e dos parâmetros de resistência (mi, mb, s e a do critério de Hoek-Brown e c’ e φ’ do critério de Mohr-Coulomb) são então calculados utilizando as expressões correspondentes. Foi definida uma metodologia para obter o valor final de EM que tem em consideração a média e a variância dos valores calculados. Na Figura 2 apresenta-se um exemplo dos resultados dados pelo GEOPAT.  Figura 2. Exemplo de resultados dados pelo GEOPAT.  2.1 Formações terrosas  No caso de formações terrosas, o GEOPAT calcula os parâmetros de resistência e deformabilidade a partir de um grande número de ensaios in situ e em laboratório. As expressões utilizadas foram encontradas nos trabalhos de vários autores fazendo a distinção de solos residuais e solos transportados. Neste trabalho apenas são apresentadas algumas das expressões utilizadas para solos transportados.  O ângulo de atrito de pico (φP’) pode ser determinado a partir dos resultados do ensaio com cone penetrómetro (CPT) e do dilatómetro de Marchetti (DMT). As expressões utilizadas para o cálculo deste parâmetro apresentam-se na Tabela 2 (Robertson and Campanela, 1983; Mayne, 2001).  Tabela 2. Expressões para o cálculo de φP’. ( )[ ]0/log38,01,0arctan vcp q σφ ′⋅+=′  (8) DP k/06,004,01º20 ++=′φ   (9) Obs.: qc – resistência de ponta do ensaio CPT; σ’v0 – tensão efectiva vertical inicial; kD – índice de tensão horizontal obtido a partir do ensaio DMT.   O ângulo de dilatância (α) é calculado utilizando a relação empírica proposta por Bolton, 1986:  ( ){ } RQDm mfRcvp −−=−′= 'ln' σφφα o sistema este valor é -se na Tabela 3 omes Correia et al., 2004). Ta  3. Expressões para o cálculo de G0.  φ’P≥φ’cv (10)  onde: φcv’ é o ângulo de atrito do estado crítico; m é um coeficiente respectivamente igual a 3 e 5 para condições axissimétricas e de estado plano de deformação; Dr é a densidade relativa; R≈1 para areias; Q é uma função logarítmica da resistência à compressão dos grãos (areias de quartzo≈10 e areias calcárias≈8); σ’mf é a tensão média efectiva na rotura (nconsiderado igual a σ’v0).  O cálculo do módulo de deformabilidade secante para níveis de deformação que interessam as obras subterrâneas é baseado no módulo de Young para pequenas deformações (E0). Alguns ensaios fornecem este valor directamente enquanto outros relacionam-se melhor com o módulo de distorção (G0), com o qual é possível obter E0. Para o cálculo de G0 consideraram-se os ensaios SPT, CPT e CH. As expressões que relacionam os resultados destes ensaios com G0 apresentam(G belaG0( )75.05.00 57.290−⎥⎥⎦⎢⎢⎣ ′ avoc pq σ⎤⎡= cqG (11)   ( )631.00 04.144−⎤⎡= cqG  (12) 5.0 ⎥⎦⎢⎣ σ′ avoc pq GA FFZ ⋅⋅⋅ 2,017,069  (13(14S NV ⋅= 6020 sVG ⋅= ρ  )  ) [ ] [ ] 4.030 10(MPa)'72.5to16.3(MPa) ⋅⋅= pG  0)(eFwhere: ( )eeF e+−17.2 2(15=1)(  (16)  )  Obs.: pa – tensão de referência (100kPa); Vs – velocidade das ondas sísmicas (m/s); N60 – número de pancadas para uma razão de energia de 60%; Z - profundidade (m); FG – factor geológico (argilas=1; areias=1,086); FA – factor de idade (Holocénico=1; Pleistocénico=1,303); ρ - massa volúmica; e – di  aio DMT (MDMT) tilizando a seguinte relação: DMTM8.00ín ce de vazios; p’0 – tensão efectiva média.  O valor de E0 pode ser obtido através do módulo determinado pelo ensu  (17) E ≈  O módulo de deformabilidade dos materiais geotécnicos é altamente dependente dos níveis de deformação e o valor utilizado no projecto deve ser adaptado para as deformações esperadas de acordo com os estados limite de serviço da estrutura. Para isto o sistema procede a uma correcção do valor de E0 obtido pelo programa multiplicando-o por um factor correctivo (F) que é dependente do nível de deformação esperado para a estrutura. Assim, considerando várias propostas encontradas na bibliografia são considerados razoáveis valores de deformação de 0,05% e 0,3%, respectivamente, para túneis escavados com neladora e pelo método SEM/NATM. .3 Formações heterogéneas   parâmetros de sistência e deformabilidade. tu 2 Relativamente às formações rochosas altamente heterogéneas e devido à grande incerteza quanto ao seu comportamento geomecânico foiimplementada uma metodologia probabilística.  Utilizando o sistema RMR é possível obter uma distribuição estatística destas estruturas geotécnicas. O valor médio e o desvio padrão dos pesos deste sistema de classificação são introduzidos. Depois, e assumindo uma distribuição normal, o sistema gera mil valores aleatórios para cada um dos pesos utilizando o método de Monte Carlo. Estes valores são posteriormente adicionados obtendo-se os correspondentes valores de RMR com o qual é possível obter o parâmetro GSI. Assim, obtém-se uma distribuição probabilística deste parâmetro que é possível visualizar através de um histograma (Figura 3). Os valores médio e característico de GSI são calculados e são utilizados para determinar osre  Figura 3. Histograma do parâmetro GSI dado pelo EOPAT.  SISTEMA MATUF respeitantes à bservação e ensaios (Figura 4). G 3 O MATUF (Metodologia de Apoio a TUneis Ferroviários) foi desenvolvido para uma manipulação adequada da informação existente sobre os túneis ferroviários em Portugal e para a avaliação e controlo da sua segurança (Silva, 2001). Este sistema apresenta um conjunto de interfaces interactivas e incorpora o conhecimento de especialistas no domínio das obras subterrâneas com vista à avaliação das condições dos túneis ferroviários estabelecendo, se necessário, recomendações para a sua reabilitação. Para cada túnel, são inseridos os dados gerais e, posteriormente, as informações resultantes da exploração do túnel, distinguindo-se dois tipos de dados: os respeitantes às inspecções e os o  Figura 4. Níveis de informação considerados no sistema ATUF. síveis soluções  estabelecidas recomendações. EOPAT A GSI M  O MATUF está dividido em vários módulos de aplicação constituindo o TUPER o subsistema baseado em conhecimento. Para o desenvolvimento do TUPER foi definido um conjunto de anomalias que podem ocorrer nestas obras e tem por base informação essencialmente qualitativa. A base de conhecimentos é essencialmente empírica e foi implementada com recurso a um conjunto de redes causais que simulam o processo de raciocínio dos especialistas. Uma vez analisados os cenários de ocorrência possíveis de anomalias, são verificadas pose  4 APLICAÇÃO DO SISTEMA GDUAS OBRAS SUBTERRÂNEAS .1 Estação do Bolhão do Metro do Porto nio cultural da cidade distribuição spacial dos grupos geomecânicos.  4 A estação subterrânea do Bolhão, pertencente à rede do Metro do Porto, está situada numa das principais zonas comerciais da cidade localizando-se por baixo de edifícios datados do início do século XX e da Capela das Almas que pertence ao patrimó(Gaspar et al., 2004).  Esta estação foi construída a uma profundidade de 12 m e a sua configuração consiste em duas cavernas perpendiculares com 70 e 62 m de comprimento e diâmetros de 18 e 16 m, respectivamente. Esta estrutura está localizada numa formação granítica normalmente designada por “Granito do Porto” que é caracterizada pela ocorrência de perfis de alteração altamente heterogéneos o que dificulta o estabelecimento de um comportamento geomecânico padrão. A Figura 5 apresenta a planta da caverna bem como a e  Figura 5. Planta da configuração da caverna com a istribuição espacial dos grupos geomecânicos. lizando o GEOPAT presentam-se na Tabela 4. . R ltados cação do s T. ulHoek-Brown d  O maciço rochoso que interessa esta estrutura é composto por três grupos geomecânicos principais. Os parâmetros obtidos para estes grupos utia Tabela 4 esu  da apliMohr-istema GEOPACo omb Grupo E GPa c’ kPa φ’ º mb s a G3 3,4 54 126 1,35 5,87E-4 0,51 G4 1,6 44 66 0,84 1,41E-4 0,53   Foram desenvolvidos modelos numéricos considerando as seis fases de escavação e os parâmetros geomecânicos dados pelo sistema. Para a modelação escolheu-se uma secção afastada da intersecção entre as cavernas para evitar o efeito tridimensional da geometria. A Figura 6 mostra as curvas de assentamentos à superfície para as várias fases construtivas que são bastante semelhantes às curvas teóricas. O assentamento máximo observado nesta secção foi de 2 mm que fica bastante próximo do valor alculado que é de 1,8 mm. c 0,000,200,400,600,801,001,201,401,601,802,000 20 40 60 80 100 120 1Distância (m)Deslocamento vertical (mm)40Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 Fase 5 Fase 6  Figura 6. Curvas calculadas de assentamentos à perfície para as diferentes fases de escavação. .2 Complexo da central de Venda Nova II resenta-se um corte transversal do omplexo. su 4 O complexo da central consiste em duas cavernas ligadas por duas galerias. Em planta, estas cavernas são rectangulares e têm, respectivamente, para a galeria principal e para a caverna dos transformadores, as seguintes dimensões: 19,0x60,5 m e 14,1x39,8 m. Na Figura 7 apc  igura 7. Vista em corte do complexo da central. FG5 0,84 28 24 0,55 4,03E-5 0,56   O maciço rochoso no qual o complexo hidroeléctrico está instalado é caracterizado por um granito de grão médio de boa qualidade. Os parâmetros geomecânicos obtidos pelo GEOPAT para este maciço foram os seguintes: e se encontram em fase de E = 45 GPa, φ’ = 54º e c’ = 4 MPa.  Foram executados cálculos numéricos bidimensionais para este complexo considerando as seis fases de escavação. Os deslocamentos calculados foram comparados com os observados em extensómetros instalados em secções ao longo do eixo das cavernas e apresentam-se na Figura 8. Da análise dos resultados pode-se concluir que os valores apresentam, na generalidade, uma concordância razoável. Os maiores desvios foram nos extensómetros inclinados EF6 e EF8. Dada a natureza complexa do problema, justifica-se a realização de modelos tridimensionais qudesenvolvimento. 024681012EF5.5EF5.15EF5.40EF6.8EF6.30EF7.8EF7.30EF8.8EF8.30EF9.6EF9.20EF10.6EF10.20EF11.6EF11.18ExtensómetroDeslocamentos (mm)Medidos Calculados Figura 8. Deslocamentos medidos vs deslocamentos alculados.  CONCLUSÕES de alta velocidade formação sobre o maciço vai sendo iários da linha de comboio de alta elocidade. EFERÊNCIAS Gangresso GoHon. North Hu s – Theory Ma Soil Properties and Case níticos. Tese de Rod. lonhecimentos. Tese c 4 Neste trabalho foram apresentados de forma circunstanciada dois sistemas computacionais em fase de desenvolvimento que pretendem ser ferramentas importantes no controlo de risco de túneis para a rede ferroviária a ser construída em Portugal.  O sistema GEOPAT pretende dar apoio à determinação de parâmetros geomecânicos para a modelação de obras subterrâneas. Faz a distinção de maciços rochosos, terrosos e heterogéneos estabelecendo diferentes metodologias de abordagem para cada caso. Nesta fase de desenvolvimento o sistema foi já testado em dois casos reais tendo conduzido a valores dos parâmetros que permitiram, através de modelação numérica, simular com aproximação bastante razoável o real comportamento deformacional do maciço e da estrutura. Estão já em desenvolvimento outros módulos, nomeadamente: previsão dos parâmetros através de modelos induzidos por técnicas de data mining aplicadas numa base alargada de casos; aplicação de técnicas convencionais e inovadoras de retroanálise dos parâmetros geomecânicos a partir da observação do comportamento das estruturas; e aplicação de técnicas de update Bayesiano nas várias fases de projecto e construção à medida que nova inMiSicolectada.  O sistema baseado em conhecimento MATUF foi originalmente desenvolvido para inspecção e manutenção de túneis antigos. Encontra-se nesta fase o início da sua adaptação e melhoramento para poder ser aplicável aos túneis ferrovv  R lton, M.D. (1986). The strength and Bo dilatancy of sands. Géotechnique, 36 (1), pp. 65-78. spar, A., Ferreira, L., Robalo, R., Lopes, P. (2004). 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Desenvolvimento de sistemas de inteligência artificial para análise de risco em túneis

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