Para propósitos de engenharia, maciços rochosos em profundidades rasas são, geralmente, considerados conjuntos de blocos definidos por descontinuidades como acamamento, foliação, bandamento, fraturas, zonas de cisalhamento, falhas e etc. Em condições de baixo confinamento, escorregamentos e rotações de blocos individuais (por gravidade), são a principal cause de problemas de estabilidade em túneis, enquanto rupturas induzidas por tensões não são usuais. Portanto, as características geométricas (forma, orientação espacial, tamanho e intensidade) e mecânicas (resistência e deformabilidade) das descontinuidades são essenciais nestes casos. Dentre os métodos numéricos existentes, o método dos elementos discretos (MED) é o mais adequado para representar maciços rochosos descontínuos e simular os problemas de estabilidade anteriormente mencionados. Recentemente, sensoriamento remoto terrestre (SRT) tem sido utilizado para criar modelos digitais 3D de maciços rochosos para fins de mapeamento de descontinuidades, aumentando a quantidade de dados (posição, orientação, comprimento dos traços, etc.) disponíveis em investigações geológicas. Os resultados obtidos a partir de mapeamento via SRT são adequados para gerar modelos de redes discretas de fraturas (RDF), que representam, adequadamente, a variabilidade natural dos parâmetros geométricos das descontinuidades a partir das funções de densidade de probabilidade. Além disso, o comportamento mecânico de cada RDF (cada conjunto de descontinuidades) precisa ser caracterizado considerando as particularidades de cada tipo de estrutura geológica (e.g. fraturas, foliação, falhas e etc.) Esta tese de doutorado apresenta uma técnica baseada no acoplamento entre SRT-RDF-MED para modelar túneis construídos em maciços rochoso metamórficos descontínuos. Primeiramente, uma campanha laboratorial extensiva, incluindo testes de cisalhamento direto e de arrancamento, mostrou forte influência da quantidade de mica no comportamento mecânico de planos de foliação isolados. Uma comparação entre testes de arrancamento, tração direta e compressão diametral mostrou que o primeiro se trata de uma nova alternativa com vantagens práticas para investigar a resistência à tração de rochas e estruturas geológicas. Os resultados de laboratório possibilitaram a introdução de um novo parâmetro, definido como a porcentagem da área coberta por mica nos planos de foliação (Ma), incluído como variável independente em uma envoltória de resistência 3D para planos de foliação. Uma metodologia prática foi desenvolvida para criar RDFs continuas ao longo de túneis, baseando-se mapeamento detalhado via SRT e análises de descontinuidades automáticas, pelo método de janelas de amostragem. As RDFs contínuas evidenciam a variabilidade de intensidade volumétrica das descontinuidades ao longo do túnel, aumentando a similaridade entre mapas de traços de fraturas virtuais (baseados em RDFs) e reais (baseados em SRT). Além disso, a automatização de análises de descontinuidades complexas e da geração de RDFs reduz o tempo necessário para criação de modelos pelo MED a partir do mapeamento geológico de afloramentos rochosos. Por fim, um estudo de caso mostrou que a quantidade de mica nos planos de foliação explica o atual estado de estabilidade de um túnel antigo, construído em maciço rochoso gnáissico descontínuo. Portanto, subestimar a resistência desta estrutura geológica, anulando sua coesão e sua resistência à tração, causa condições de estabilidade irreais para o túnel. Análises numéricas com diferentes cenários de alteração por intemperismo mostraram que problemas de estabilidade poderiam ocorrer neste túnel, dependendo do avanço da alteração causada por intemperismo ao longo do tempo.

For engineering purposes, hard rock masses at shallow depths are generally considered sets of discrete blocks defined by intersecting discontinuities such as bedding planes, foliation, banding contacts, fractures, shear zones, faults, etc. Under low confinement conditions, gravity-driven sliding on the discontinuities and rotation of the individual rock blocks are the major cause of stability problems in tunnels, while stress-induced failure of intact rock material is unusual. Therefore, the geometrical (shape, spatial orientation, size, and intensity) and mechanical (strength and deformability) characterization of geological discontinuities are essential in such cases. Among the numerical methods, the discrete element method (DEM) is the most suitable for representing discontinuous rock masses and simulating the aforementioned instability mechanisms. Recently, terrestrial remote sensing (TRS) techniques have been used to create digital 3D rock mass models and perform discontinuity mapping, increasing the amount of discontinuity data (position, orientations, trace lengths, etc.) available in geological surveys. The results obtained from TRS mapping are suitable for generating stochastic discrete fracture network (DFN) models, which better represent the natural variability of the discontinuity geometrical parameters using their probability distributions. Moreover, the mechanical behavior of each DFN (each discontinuity set modeled) must be characterized considering the particularities of each geological structure type (e.g., fractures, foliations, faults, etc.). This doctoral thesis presents a coupled TRS-DFN-DEM approach for modeling tunnels in discontinuous metamorphic rock masses. First, an extensive laboratory program, including direct shear tests and pull-off tests, showed major influence of the mica content on the mechanical behavior of isolated foliation planes. A comparison between pull-off tests, direct tension tests, and the Brazilian disc tests, indicated the first as a new alternative with practical advantages for assessing the tensile strength of rocks and geological structures. The laboratory results allowed the introduction of a new parameter, defined as the percentage of foliation surface area covered by mica (Ma), included as an independent variable of a 3D strength envelope for foliation planes. Thereafter, a practical methodology was developed to create continuous DFNs along tunnels, based on detailed TRS geological mapping and automatic discontinuity analyses by window sapling methods. The continuous DFNs highlight the special variability of discontinuity volumetric intensities along the tunnel axis, which increases the similarity between virtual (DFN-bases) and real (TRS-based) fracture trace maps. Moreover, the automation of complex discontinuity analyses and DFN generations reduces the time required for creating the DEM models from geological mapping of rock faces. Finally, a case study showed that the mica content on foliation planes explains the actual stability of an old shallow tunnel constructed in a discontinuous gneissic rock mass. Thus, underestimating their strength by attributing null cohesions and tensile strength causes unrealistic instability conditions to the tunnel. Numerical analysis considering different weathering scenarios showed that major failures could occur in the tunnel depending on the weathering advance over time.