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2016ottobre # 47
Gallerie realizzate in ammassi rigonfianti e/o
spingenti
Massimo Chiarelli – Ingegnere esperto in tecniche avanzate di scavo in sotterraneo
ella progettazione di gallerie, è essenziale tenere debitamente conto dell’evoluzione del campo
tensionale e deformativo nel terreno attorno al fronte di scavo durante l’avanzamento.
Nel caso di scavo eseguito mediante TBM, i cedimenti durante lo scavo, sono localizzati nel settore
dello scudo (se presente). Un altro esempio, è quello dello scavo di gallerie in ammasso spingente.
Scavando la galleria con una TBM scudata, convergenze dell’ordine di alcuni centimetri non causano
problemi grazie alla differenza di diametro esistente tra il profilo di scavo e lo scudo. Al contrario, se
le convergenze sono sufficientemente grandi da chiudere questo spazio libero, l’ammasso esercita
una pressione sullo scudo. In questo caso, l’avanzamento della TBM può essere ostacolato o
addirittura impedito. Naturalmente,
più velocemente si sviluppano le
convergenze, maggiore è il rischio
di blocco dello scudo. La velocità di
deformazione nei pressi del fronte
di scavo è importante anche nel
caso di scavo tradizionale. Uno
sviluppo rapido delle convergenze
può rallentare considerevolmente
l’avanzamento in quanto la messa
in opera delle misure di sostegno
necessarie al controllo della
risposta dell’ammasso interferisce
con i lavori di scavo.
L’utilizzo di un sistema statico
bidimensionale in condizioni di
deformazione piane per la
determinazione delle deformazioni
e delle pressioni del terreno in
prossimità del fronte di scavo introduce una serie d’incertezze. Infatti, in questo caso è necessario
fare delle assunzioni in merito allo sviluppo delle deformazioni e delle tensioni in senso longitudinale.
Inoltre, i modelli bidimensionali non tengono conto d’importanti informazioni concernenti la risposta
del terreno allo scavo della galleria.
N
Figura 1 – Blocco della TBM causato da un ammasso spingente. Foto: Werner Burger, Herrenknecht AG
Headrace Tunnel, Perù. Deformazione di circa 2 metri con sollevamento dell’arco rovescio in ammasso rigonfiante
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Un approccio geotecnico dettagliato nella progettazione di un’opera importante come una galleria è
fondamentale. Le soluzioni tecnologiche e il calcolo numerico disponibili per lo studio dell’evoluzione
del comportamento del terreno
in fase di scavo, rendono la
progettazione particolareggiata
ed approfondita attraverso
l’elaborazione di modelli in 3
dimensioni che simulano il
comportamento al fronte di
scavo ed al contorno della
galleria.
In condizioni geologiche dove
in fase realizzativa il comportamento del terreno è pronunciatamene tempo-dipendente (ad esempio
gallerie superficiali in argille o gallerie profonde in rocce deboli), la velocità d’avanzamento influenza
notevolmente lo sviluppo delle deformazioni (e, rispettivamente, delle pressioni) dell’ammasso in
prossimità del fronte di scavo. Infatti, in questo caso le deformazioni dovute a “creep” o
consolidazione sono sovrapposte a quelle risultanti dalla ridistribuzione tridimensionale delle
tensioni dovuta allo scavo della galleria.
I modelli di calcolo basati su sistemi statici piani considerano una sezione trasversale della galleria
situata lontano dal fronte di scavo e assumono condizioni di deformazione piane. In presenza di
simmetria rotazionale, dal punto di vista matematico il problema è unidimensionale. La cosiddetta
“linea caratteristica dell’ammasso”, chiamata anche “curva di risposta del terreno” (Panet e Guenot,
1982), esprime il rapporto tra la pressione radiale agente sul rivestimento e lo spostamento radiale
del terreno al profilo di scavo. Assumendo equilibrio e compatibilità tra ammasso e rivestimento, la
linea caratteristica dell’ammasso può essere utilizzata in combinazione con quella del rivestimento
per determinare la convergenza radiale che deve verificarsi affinché la pressione dell’ammasso si
riduca ad un valore ammissibile per il rivestimento scelto.
Un problema fondamentale di questo tipo di approccio è che tutte le soluzioni basate su condizioni
di deformazione piane (sia quelle in forma chiusa sia quelle risultanti da una soluzione numerica che
considera un rilascio parziale delle tensioni prima dell’attivazione del rivestimento), presuppongono
che la tensione radiale al
contorno del cavo
diminuisca monotonamente
dal suo valore iniziale (che
prevale nell’ammasso ad
una certa distanza davanti
al fronte di scavo) alla
pressione di sostegno (che
si sviluppa ad una certa
distanza dietro il fronte di
scavo). Tuttavia, il reale
percorso di carico comporta
un completo scarico del
contorno del cavo in
direzione radiale lungo il
settore di galleria non supportato e un suo successivo ricarico a partire dal momento in cui le misure
di sostegno sono installate. Cantieni e Anagnostou (2009a) hanno dimostrato che l’assunzione di
Figura 2 – Fasi di costruzione di un modello di galleria eseguita con TBM scudata
Figura 3 – Modello 3D degli spostamenti verticali per una galleria eseguita con TBM scudata
Gallerie realizzate in ammassi rigonfianti e/o spingenti – Massimo Chiarelli
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una tensione radiale monotonamente decrescente
può portare (in particolar modo nel caso di un
ammasso fortemente spingente e dal
comportamento elastoplastico) a una sottostima
più o meno rilevante della pressione dell’ammasso
e delle sue deformazioni.
Lo scavo di gallerie in rocce rigonfianti e/o
spingenti è caratterizzato da un comportamento
deformativo del cavo che evolve nel tempo con
convergenze che, qualora il sostegno risulti
inadeguato, possono raggiungere valori importanti
(anche dell’ordine del metro), ovvero manifestarsi
con la tendenza alla chiusura del cavo.
Il comportamento rigonfiante delle rocce si
manifesta, di norma, con il sollevamento dell’arco
rovescio e con marcati movimenti dei piedritti.
Questi movimenti possono evolvere rapidamente,
per esempio durante la costruzione, oppure
perdurare nel tempo: anche degl’anni.
Comportamento Rigonfiante
Il comportamento rigonfiante può essere definito
come un incremento di volume dipendente dal
tempo, causato da reazioni chimico-fisiche di
alcuni materiali contenuti nella roccia con
l’acqua. I minerali interessati dal fenomeno di
rigonfiamento sono principalmente l’anidrite e
l’argilla. La prima, in particolari condizioni, si
trasforma in gesso con l’assorbimento di acqua
dall’esterno e conseguente aumento di volume.
L’argilla, invece, può andare incontro ad
assorbimento di acqua per osmosi, oppure ad
un processo di consolidazione inversa che, in
seguito ad un rilascio tensionale, causa
incremento negativo della pressione neutra e
quindi un richiamo di acqua all’interno dei pori. Il
rigonfiamento, dunque, si manifesta come un
processo reologico che evolve nel tempo sotto
forma di aumento di volume del materiale,
incremento delle deformazioni ed incremento
della pressione esercitata su un’eventuale
struttura che cerchi di impedire tali deformazioni.
La valutazione del reale percorso delle
sollecitazioni che si ha durante lo scavo di una
galleria, ha inoltre permesso di chiarire meglio
come spesso il comportamento deformativo del Figura 5 – Innalzamento dell’arco rovescio a causa di ammasso rigonfiante. Headrace Tunnel, Perù
Figura 4 – Rappresentazione del percorso delle sollecitazioni di una galleria realizzata in rocce argillose
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cavo, con elevate deformazioni, sia dovuto al comportamento sia rigonfiante che spingente
dell’ammasso.
In figura 4 (Bellward e Einstein, 1987) si mostra come, in un materiale dilatante e in condizioni non
drenate, si hanno sovrappressioni interstiziali negative in corrispondenza sia del piedritto sia
dell’arco rovescio ed in calotta. Il percorso delle sollecitazioni, in termini di tensioni totali, è prossimo
al percorso tensionale di
estensione-carico, nell’arco
rovescio, e ad un percorso
tensionale di compressione-
scarico in corrispondenza dei
piedritti (Lambe e Whitman,
1969).
Valutare correttamente il
percorso delle sollecitazioni,
consente di verificare, inoltre,
l’influenza della forma della
sezione della galleria
adottata sulla stabilità del
cavo ed il valore della spinta
orizzontale a riposo K0.
Qualunque sia il valore di K0,
per una galleria con sezione
a “ferro di cavallo” si verifica
sempre una riduzione della tensione media al piede, a differenza di quanto accade per la galleria di
forma circolare. Poiché lo scarico tensionale costituisce una delle cause che provocano richiamo di
acqua e, quindi, fenomeni di rigonfiamento, appare evidente che la forma a ferro di cavallo è
certamente da evitare all’interno di rocce ad elevato potenziale rigonfiante, mentre è da preferire la
forma circolare.
Comportamento Spingente
Il comportamento spingente si manifesta
quando la variazione dello stato di equilibrio
originario, indotta dallo scavo della galleria, ed il
relativo incremento delle sollecitazioni sul
contorno sono tali da provocare il
raggiungimento dei valori di resistenza
dell’ammasso roccioso, con l’innesco di
fenomeni deformativi dipendenti dal tempo
(creep). Le deformazioni possono terminare
durante lo scavo o proseguire per lunghi periodi.
Il comportamento spingente può avvenire sia in
roccia sia in terra, purché la particolare
combinazione degli sforzi indotti e le proprietà
del materiale in alcune zone, attorno alla
galleria, si spingano oltre la tensione limite di
taglio per la quale si ha l’innesco di fenomeni deformativi dipendenti dal tempo.
Figura 7 – Diagramma della pressione ultima agente sul rivestimento di una galleria in ammasso spingente
Figura 6 – Analisi delle deformazioni in funzione delle fasi di scavo con metodo tradizionale
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Un metodo semi-empirico per quantificare il comportamento spingente è stato proposto da Jethwa
et al. (1984) ed ha come scopo la determinazione della pressione finale che grava sulla struttura di
sostegno della galleria.
Si è notato che la pressione ultima risulta influenzata dal valore assunto dal seguente rapporto: 𝜎𝑐𝑚
2 ∙ 𝛾 ∙ 𝐻
Dove 𝜎𝑐𝑚 rappresenta la resistenza a compressione monoassiale dell’ammasso roccioso e 𝛾 ∙ 𝐻 la
tensione originaria isotropa, assunta pari alla pressione verticale dovuta alla copertura. La pressione
ultima risulta inoltre influenzata dall’angolo di attrito interno di picco e residuo dell’ammasso roccioso.
Conclusioni
Lo scavo di gallerie in rocce rigonfianti e/o spingenti è caratterizzato da un comportamento
deformativo del cavo che evolve nel tempo con convergenze che, qualora il sostegno risulti
inadeguato, possono raggiungere anche valori elevati fino a tendere alla chiusura del cavo stesso.
Comportamento dell’ammasso 𝝈𝒄𝒎𝟐 ∙ 𝜸 ∙ 𝑯
Fortemente spingente < 0,2
Moderatamente spingente 0,2 ÷ 0,4
Leggermente spingente 0,4 ÷ 1,0
Non spingente > 1,0
Figura 8 – Crollo del fronte di scavo dovuto a creep in rocce deboli con un comportamento fortemente tempo-dipendente
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Il comportamento rigonfiante delle rocce si manifesta generalmente con il sollevamento dell’arco
rovescio e con marcati movimenti/deformazioni in corrispondenza dei piedritti della galleria.
Anche la forma della sezione della galleria gioca un ruolo fondamentale sulla stabilità del cavo. Ad
esempio in rocce rigonfianti, la forma a ferro di cavallo è da evitare, mentre è da preferire la forma
circolare.
La realizzazione di gallerie in rocce spingenti mediante TBM, può essere ostacolato o addirittura
impedito e più velocemente si sviluppano le convergenze, maggiore è il rischio di blocco dello scudo.
L’esperienza pratica dimostra che interruzioni dell’avanzamento della TBM sono generalmente
sfavorevoli in presenza di
roccia spingente. In diversi
casi la TBM non è rimasta
bloccata fino a quando non
c’è stato un rallentamento o
una sospensione delle
operazioni di scavo. Ciò
evidenzia come il
mantenimento di un’elevata
velocità d’avanzamento e
una riduzione dei tempi di
fermo macchina possono
avere un effetto positivo.
In ogni caso, alte velocità
d’avanzamento non devono
essere viste come un
rimedio. In primo luogo, esse
sono difficili da raggiungere
(specie in terreni scadenti). In secondo luogo, convergenze del cavo si possono sviluppare molto
rapidamente e molto vicino al fronte di scavo (Ramoni e Anagnostou, 2009a); in tal caso la velocità
raggiunta gioca un ruolo secondario (la TBM potrebbe bloccarsi anche se mantenuta in movimento
alla massima velocità). In terzo luogo, i fermi macchina non sono completamente evitabili.
Bibliografia
[1]. M. Chiarelli – “L’Arte del costruire gallerie” – Editrice | Uni Service, Trento, 2009
[2]. M. Chiarelli – “La realizzazione di gallerie in formazioni geologicamente complesse” - “INGENIO” n° 36 del 30
Settembre 2015, Imready Srl - RSM
[3]. M. Chiarelli – “Tunnel realizzati con TBM-EPB” - “Strade & Autostrade” n°114, EDI-CEM Srl, Milano
[4]. M. Chiarelli – “Interazione tra gallerie metro e scavi profondi: metodo smartGDE” - “Strade & Autostrade” n°108,
EDI-CEM Srl, Milano
[5]. M. Chiarelli – “La costruzione di gallerie in ambiente urbano” - "INGENIO" n° 28 e dossier di Geotecnica del 14
Novembre 2014, Imready Srl – RSM
[6]. M. Chiarelli – “Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, Microtunnelling e Horizontal Directional
Drilling” - “INGENIO” n°17, Imready Srl – RSM
[7]. M. Chiarelli – “Rivestimenti definitivi di tunnel in elementi prefabbricati” - "INGENIO" n° 34 del 01 Luglio 2015, Imready Srl – RSM
[8]. M. Chiarelli – “Il metodo Top-Down e Bottom-Up - Le stazioni della nuova metropolitana di Roma - "Strade & Autostrade" n°119, EDI-CEM Srl, Milano
Figura 9 – Fase di scavo. Deformazione della centina causata dalla roccia spingente
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