ESCAVAÇÃO DE GRANDE PROFUNDIDADE PARA A CONSTRUÇÃO DA
BIBLIOTECA CENTRAL E ARQUIVO MUNICIPAL DE LISBOA
DEEP EXCAVATION FOR THE NEW CENTRAL LIBRARY AND
MUNICIPAL ARCHIVE OF LISBON
Pinto, Alexandre, JetSJ Geotecnia, Lda., Lisboa, Portugal, [email protected]
Pereira, Ana, JetSJ Geotecnia, Lda., Lisboa, Portugal, [email protected]
Villar, Miguel, Betar, Lda., Lisboa, Portugal, [email protected]
RESUMO
No presente artigo são apresentados os principais critérios de concepção e de execução
adoptados nas soluções de escavação e de contenção com profundidade máxima de 40m, para a
construção de 10 pisos enterrados da futura Biblioteca Central e Arquivo Municipal de Lisboa.
São apresentados os principais condicionamentos, nomeadamente os geológico-geotécnicos e os
topográficos. As soluções adoptadas são constituídas essencialmente por cortina de estacas
moldadas, colunas de jet-grouting e betão projectado, suportados por ancoragens definitivas e
provisórias. Refere-se o dimensionamento efectuado, através de análises estáticas e dinâmicas.
O plano de instrumentação e observação implementado é descrito e são apresentados alguns dos
principais resultados obtidos.
ABSTRACT
In this paper the main design and execution criteria for the solutions adopted for a 40 m deep
excavation performed for the construction of 10 underground floors of the New Central Library
and Municipal Archive of Lisbon are presented. The main geological and geotechnical
characteristics of the site are shown, as well as the geometrical and topographical conditionings.
The adopted solutions consist of bored pile walls, jet grouting columns and reinforced shotcrete,
supported by permanent and temporary anchors. Results of the finite element static and dynamic
calculations are presented. The monitoring plan is described and some of the main results are
shown.
1. INTRODUÇÃO
O edifício da futura Biblioteca Central e Arquivo Municipal de Lisboa (BCAML), a construir
no Vale de Santo António, terá, no total, 17 pisos. A entrada principal do edifício será ao nível
do piso 0, junto à Avenida Mouzinho de Albuquerque (a Nordeste) e terá uma segunda entrada
ao nível do piso 5 junto à Rua Álvares Fagundes (a Sudoeste). Abaixo do piso 0 haverá 5 pisos
enterrados.
O local de implantação do edifício da Biblioteca Central e Arquivo Municipal de Lisboa fica
situado em meio urbano e numa zona de topografia agressiva. O edifício apresenta geometria
rectangular com 100×40m2 de área em planta (Figura 1a). O terreno actual junto à rua Álvares
Fagundes encontra-se sensivelmente à cota +65,00, sendo que para atingir a cota de fundo da
escavação (+25,06), correspondente ao piso –5, a escavação realizada dispõe, no máximo, de
cerca de 40m de profundidade (Figura 1b), constituindo assim, provavelmente, a escavação em
meio urbano de maior profundidade realizada até hoje em Portugal.
(a)
(b)
Figura 1 - (a) Planta de dimensionamento. (b) Corte transversal na zona de maior altura de
escavação.
Dados os condicionamentos existentes, em particular a geometria do edifício, a topografia do
local e as condições geológicas e geotécnicas, traduzidas pela presença de aterros com espessura
significativa, tendo parte deles sido depositados após 1993, aquando da realização de
terraplenagens e da construção de algumas edificações na Rua Álvares Fagundes, definiram-se
três tipos de soluções de contenção, adequados às particularidades de cada um dos quatro
alçados da obra.
Em Pinto et al (2007 a) podem encontrar-se detalhes de alguns aspectos construtivos e em Pinto
et al (2007 b) foram apresentados alguns resultados preliminares da instrumentação. No
presente artigo descrevem-se as soluções adoptadas, focando em especial os aspectos do
dimensionamento e os resultados da observação.
2. PRINCIPAIS CONDICIONAMENTOS
2.1. Condicionamentos geológico-geotécnicos
De acordo com a informação resultante das duas campanhas de prospecção realizadas, a
geologia do local caracteriza-se pela presença do substrato de idade Miocénica, recoberto por
aterros heterogéneos e, no canto Norte, por materiais aluvionares que estão relacionados com a
presença de uma linha de água. Os terrenos heterogéneos pertencentes ao Miocénico são
constituídos por areias siltosas e (ou) argilosas com “lumachelas”, argilas siltosas e (ou)
arenosas, calcarenitos e calcários margosos. Foram definidas três zonas geotécnicas principais:
- ZG1 - corresponde aos terrenos do Miocénico localizados a maior profundidade, constituídos
por areias e por argilas com concentrações fossilíferas e ainda por calcarenitos e por
calcários margosos.
- ZG2 - formada por areias e por argilas do Miocénico descomprimido, com concentrações
fossilíferas, atingindo a profundidade máxima de 19m.
- ZG3 - constituída pela camada de aterros heterogéneos e pelos aluviões existentes no canto
Norte, com espessuras variáveis entre 1,5 e 20m, com maior espessura a Sudoeste, na zona
onde a contenção se aproxima da Rua Álvares Fagundes.
No Quadro 1 apresentam-se os parâmetros geomecânicos considerados para as três zonas
geotécnicas referidas, aferidos através do conjunto de ensaios in-situ e de laboratório realizados,
nomeadamente SPT (Standard Penetration Test), pressiométricos, ensaios laboratoriais de
identificação e de compressão uniaxial e triaxial.
Quadro 1 - Principais parâmetros geomecânicos das três zonas geotécnicas
Zona
NSPT
ZG1
ZG2
ZG3
≥ 60
15 a 60
9 a 30
c'
γ
(kN/m3) (kPa)
21
80
19
20
17
0
φ'
(°)
45
36
25
E
(MPa)
140
40
7
2.2. Restantes condicionamentos
No que se refere aos restantes condicionamentos que influenciaram o tipo de soluções
adoptadas, podem ser destacados os seguintes:
- As condições de vizinhança, em particular a existência de arruamentos e edificações
próximas da zona de maior profundidade de escavação, com cerca de 6 pisos elevados, e as
infra-estruturas existentes nos arruamentos (Figura 1a).
- A topografia, determinada pela inclinação agressiva da encosta a escavar, traduzida pelos
desníveis de cerca de 30m entre a rua Álvares Fagundes, a Sudoeste, e a rua Barão de Monte
Pedral, a Nordeste (Figura 1b).
- A arquitectura e a estabilidade do edifício da BCAML que determinou que os impulsos de
terras do alçado SW não pudessem ser transmitidos à estrutura do edifício na fase definitiva
e ainda a necessidade de compatibilização com a futura envolvente paisagística.
3. SOLUÇÕES ADOPTADAS
3.1. Introdução
Tendo por base os condicionamentos referidos, definiram-se três tipos de soluções principais de
contenção e de estabilização de taludes:
- Solução 1 - cortina de estacas de betão armado, moldadas no terreno, travadas com
ancoragens definitivas.
- Solução 2 - cortina de estacas de betão armado, moldadas no terreno, travadas com
ancoragens provisórias e estabilização de talude de pré - escavação através da realização de
colunas de jet grouting inclinadas, com vigas ancoradas no topo.
- Solução 3 - estabilização de taludes de escavação com inclinação de 1H:3V, revestidos com
betão projectado drenado, pregado e armado com malha electrossoldada.
3.2. Descrição das soluções de contenção
A solução 1 foi adoptada no alçado Sudoeste, com profundidade máxima de escavação de cerca
de 40m, incluindo cerca de 20m de espessura de aterros (ZG3). Foram adoptadas estacas com
1000mm de diâmetro, afastadas de 1,30m, na zona com profundidade superior a 36m e estacas
com 800mm de diâmetro, afastadas de 1,50m, no restante desenvolvimento da contenção.
A estabilidade da cortina de estacas face aos impulsos do terreno foi garantida pelas ancoragens
definitivas, seladas na zona geotécnica ZG1 e realizadas sobre as vigas de coroamento e de
distribuição de betão armado (Figura 2). O afastamento horizontal das ancoragens é de 2,6m na
zona onde a escavação apresenta profundidade superior a 36m e de 3,0m na restante extensão. O
recurso a ancoragens definitivas neste alçado foi justificado pelo facto da estrutura do edifício
não poder suportar o desnível de impulsos do terreno na fase definitiva entre os dois alçados
longitudinais (Sudoeste e Nordeste).
De forma a limitar a descompressão e a conter o terreno entre estacas foram realizadas colunas
de jet-grouting ao nível das formações mais descomprimidas, correspondentes às zonas
geotécnicas ZG2 e ZG3, e foi aplicado betão projectado armado com malha electrossoldada, ao
nível da ZG1.
(a)
(b)
Figura 2 - Solução 1: corte transversal (a) e vista final do alçado Sudoeste (b)
Entre a cortina de estacas e a estrutura do edifício haverá uma galeria técnica com cerca de 3,0m
de largura que permitirá as operações de manutenção e de observação das ancoragens
definitivas ao longo do período de vida da obra.
A solução 2 foi adoptada no alçado Noroeste, que apresenta profundidade máxima de escavação
de cerca de 36m. Entre a cota do piso 0 (+43,74) e a do piso –5 (+25,06) foram executadas
estacas de 800mm de diâmetro, afastadas de 1,5m, travadas por 4 níveis de ancoragens
provisórias, afastadas de 3,0m. Acima da cota do piso 0 foi executada uma cortina de colunas
de jet-grouting com diâmetro de 1200mm, afastadas de 1,2m, para estabilização e protecção dos
taludes de escavação inclinados a 1H:2V e com 18m de altura máxima, intersectando na
totalidade a zona geotécnica ZG3. No topo destes taludes foram executadas ancoragens
provisórias sobre vigas de distribuição de betão armado, apoiadas em microestacas (Figura 3).
Esta solução, que garante a minimização dos trabalhos de terraplenagem, foi concebida de
forma a permitir uma adequada compatibilização com as soluções que vierem a ser definidas no
âmbito do projecto de arranjos exteriores do edifício, acima da cota do piso 0.
A solução 3 foi adoptada nos alçados Nordeste e Sudeste pelo facto de a altura de escavação ser
relativamente reduzida (cerca de 7m), intersectando principalmente terrenos da zona geotécnica
ZG1. Consiste na estabilização de taludes de escavação com inclinação de 1H:3V, revestidos
com betão projectado drenado, pregado e armado com malha electrossoldada.
A opção por esta solução teve por base as cotas e as características do terreno, assim como a
necessidade de inserir a rampa de acesso ao fundo da escavação (lado direito da Figura 1b).
66,08
Vigas de betão
armado ancoradas
Colunas jet
grouting
φ1,2m//1,2m
1
2
1
Microestacas
ZG3
ZG2
2
43,74
Ancoragens
provisórias
ZG1
25,06
Cortina estacas
φ0,8m//1,5m
(a)
(b)
Figura 3 - Solução 2: corte transversal (a) e vista final do alçado Noroeste (b)
A Figura 4 mostra a vista geral da escavação e das estruturas de contenção do alçado sudoeste e
do alçado Noroeste na fase final dos trabalhos.
Figura 4 - Vista geral das estruturas de contenção dos Alçados Sudoeste e Noroeste.
4. DIMENSIONAMENTO
O comportamento das estruturas de contenção foi analisado, em termos de esforços e de
deformações, para todas as fases construtivas de escavação e de aplicação de pré-esforço,
através de um programa de elementos finitos (Plaxis V8) vocacionado para a realização de
análises tensão-deformação de estruturas geotécnicas. Nos cálculos efectuados foi admitido para
os terrenos interessados um comportamento elástico perfeitamente plástico, associado ao
critério de rotura de Mohr-Coulomb.
O dimensionamento de todos os elementos estruturais teve por base os resultados obtidos nos
cálculos efectuados, adoptando o princípio dos estados limites, consagrado na actual
regulamentação europeia. Na Figura 5a) apresenta-se um exemplo dos deslocamentos obtidos
no cálculo numérico efectuado para o caso estático.
No que se refere aos efeitos da acção sísmica, em particular sobre a contenção do alçado
Sudoeste, que não será travada pela estrutura do edifício em fase definitiva, realizaram-se
análises pseudo-estáticas, com o mesmo programa de cálculo, que permitiram estimar os
esforços e as deformações na cortina de estacas, no terreno e nas estruturas adjacentes. A acção
sísmica foi definida de acordo com o regulamento português RSA. A obra está localizada na
zona A, à qual corresponde o valor máximo do coeficiente de sismicidade: α=1,0. Os terrenos
foram classificados como do tipo II: solos coerentes duros a muito duros e solos incoerentes
compactos. Foi considerada a acção sísmica tipo 2 que corresponde a um sismo de maior
magnitude e a uma maior distância focal, sendo a mais gravosa para o domínio das baixas
frequências.
As análises pseudo-estáticas foram realizadas considerando três coeficientes sísmicos: 0.04,
0.10 e 0.16. Atendendo ao tipo de estrutura, considerou-se um coeficiente de comportamento de
2%. As frequências correspondentes tomaram assim os valores de 0.6, 1.0 e 1.2 Hz. Na
Figura 5b) apresenta-se um exemplo dos deslocamentos obtidos no cálculo pseudo-estático
realizado, considerando um coeficiente sísmico horizontal de 0.10.
Deformada da malha de elementos finitos
Deslocamentos horizontais estáticos [mm]
(a)
Deformada da malha de elementos finitos
Deslocamentos horizontais Pseudo-estáticos [mm]
(b)
Figura 5 - Exemplo dos resultados obtidos no cálculo numérico para o caso estático (a) e para o
caso pseudo-estático (b)
De forma a balizar os resultados obtidos nos cálculos efectuados através do método pseudoestático para cada um dos valores de frequências estimadas, foi realizada a análise dinâmica da
estrutura com o módulo dinâmico do mesmo programa, com base em 10 acelerogramas gerados
a partir do espectro de potência, o qual foi obtido através do espectro de resposta definido no
Eurocódigo 8, considerando o Documento Nacional de Aplicação.
5. INSTRUMENTAÇÃO E OBSERVAÇÃO
O Plano de Instrumentação e Observação, sendo uma ferramenta de prevenção e de gestão de
riscos, indispensável numa obra com as características da presente, foi definido com o objectivo
de garantir a realização, em condições de segurança e de economia, dos trabalhos de escavação
e de contenção, assim como de permitir a análise do comportamento das estruturas de contenção
e das estruturas e infra-estruturas vizinhas durante e após a execução da obra.
No enquadramento descrito, foram instalados os seguintes dispositivos de observação, cuja
localização se indica na Figura 6a: 4 inclinómetros, 28 alvos topográficos, 23 células de carga, 5
réguas topográficas nas fachadas de edifícios, 11 marcas topográficas nos arruamentos vizinhos.
Marcas
Réguas
Células
Alvos
Inclinómetros
Figura 6 - (a) Planta com a localização dos Dispositivos de Observação. (b) Resultados das
leituras efectuadas na direcção perpendicular à cortina no inclinómetro I3
O conjunto de aparelhos instalado foi lido, durante a execução dos trabalhos de escavação e de
contenção com uma frequência, no mínimo, semanal. Após a conclusão destes trabalhos e dos
de construção civil, prevê-se a continuação da realização das leituras dos dispositivos instalados
no alçado Sudoeste, pelo menos uma vez por ano, por um período de 50 anos.
Baseados nos resultados dos cálculos efectuados foram definidos os seguintes critérios de alerta
e de alarme para os deslocamentos da estrutura de contenção e para a variação de carga nas
ancoragens:
- Critério de alerta: deslocamentos horizontais máximos de 0,15% Hescavação e assentamentos de
0.10% Hescavação; variação de carga nas ancoragens de 10%.
- Critério de alarme: deslocamentos horizontais máximos de 0,30% Hescavação e assentamentos
de 0.20% Hescavação; variação de carga nas ancoragens de 20%.
Na Figura 6b) apresenta-se um exemplo dos resultados dos deslocamentos obtidos num dos
inclinómetros (I3) instalados na cortina no alçado Sudoeste. Os deslocamentos apresentados são
relativos ao plano perpendicular à cortina e o sentido positivo corresponde aos movimentos no
sentido da escavação. Este inclinómetro foi instalado em 21-06-2006 e no dia 23-06-2006 a
ancoragem localizada na viga de coroamento próxima do inclinómetro foi pré-esforçada, tendo
sido registado um deslocamento para o interior do terreno. As leituras apresentadas
correspondem às efectuadas, em geral, 2 dias após a realização da escavação para cada nível de
vigas de distribuição das ancoragens. Refere-se que a obra esteve parada entre 23-10-2006 e 2401-2007.
Tendo em consideração a profundidade de escavação (40m) e as características dos terrenos
interessados, os deslocamentos obtidos até à conclusão da escavação (semelhantes nos restantes
inclinómetros e nos alvos topográficos instalados) são reduzidos (∆h/H = 0,012/40 ≈ 0,03% ) e
inferiores aos estimados nos cálculos efectuados.
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Apesar da invulgar profundidade da escavação apresentada, provavelmente a maior realizada até
hoje em Portugal em meio urbano, as soluções de contenção adoptadas, concebidas com o
objectivo de garantir a minimização da descompressão dos terrenos durante as várias fases de
escavação, mostraram-se particularmente ajustadas aos condicionamentos existentes e que se
salientam de seguida:
- Condições geológicas e geotécnicas desfavoráveis, devido à presença de aterros com
espessura significativa (máx. 20m).
- Topografia do local com desníveis elevados (30m) entre os alçados Sudoeste e Nordeste.
- Arquitectura e estabilidade do edifício da BCAML que não era compatível com a utilização
da estrutura do mesmo como travamento definitivo a cortina do alçado Sudoeste, devido ao
desnível de impulsos a acomodar.
- Necessidade de realizar uma escavação de grande profundidade (40m).
Os resultados da instrumentação comprovaram o bom comportamento das estruturas de
contenção e das estruturas envolventes. Os deslocamentos obtidos nos diversos dispositivos de
observação instalados foram, até à conclusão da escavação, muito reduzidos, tendo o
deslocamento horizontal para o interior da escavação, na secção de maior altura, sido da ordem
de 12 mm, o que corresponde a cerca 0,03% da profundidade de escavação. Por último,
considera-se importante destacar que se encontra prevista a continuação da observação da obra
por um período de 50 anos, podendo estes resultados vir a contribuir de forma importante para
um melhor conhecimento do comportamento deste tipo de solução a médio e a longo prazo.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Câmara Municipal de Lisboa e à Empresa Pública de Urbanização de
Lisboa, na pessoa, respectivamente, do Arq. Jorge Ramos de Carvalho e do Eng. Luís Cantante
de Matos a autorização para a divulgação técnica da obra em referência.
REFERÊNCIAS
Pinto, A.; Pereira, A.; Villar, M.; Lopes, N. e Cunha, V. (2007 a). ‘‘Biblioteca Central e
Arquivo Municipal de Lisboa. Escavação e Contenção Periférica’’, Engenharia e Vida,
nº36, Junho 2007, 30-37.
Pinto, A.; Pereira, A. e Villar, M. (2007 b). ‘‘Deep Excavation for the New Central Library of
Lisbon’’ Proc. 14th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical
Engineering, Madrid, Spain, Vol. 2, 623–628.