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Corso di: Progetto di viabilità in sotterraneo Dott. Ing. Nicola Berloco

CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA CIVILE

INGEGNERIA CIVILE ED AMBIENTALE

“PROGETTO DI VIABILITÀ IN SOTTERRANEO”

dott. ing. Nicola Berloco

[email protected]


PROGETTO DI VIABILITÀ IN SOTTERRANEO

Non ci sono propedeuticità.Conoscenze preliminari

6Numero di crediti:

Dott. Ing. Berloco NicolaDocente

ICAR/04Progetto di Viabilitàin SotterraneoInsegnamento:

Laurea Specialistica in Ingegneria CivileIngegneria Civile Classe



Il corso vuole fornire gli strumenti metodologici e gli elementi conoscitivi per una corretta impostazione delle problematiche relative alla progettazione, costruzione e gestione delle infrastrutture viarie in sotterraneo.

Obiettivi formativi:


INTRODUZIONE

STRUTTURA DEL CORSO

• Quadro Normativo Progettuale e Ambientale• Geologia e Geotecnica delle Opere in Sotterraneo• I Cantieri delle Opere in Sotterraneo• Progetto di Gallerie Extraurbane• Progetto di Gallerie Urbane e Metropolitane• Impianti e Sicurezza

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INTRODUZIONE

• PUNTI DI VISTA• Pianificatore• Progettista Geotecnico• Progettista Stradale• Ingegnere di Impresa

• N.B.:questo non significa che progettare una galleria comporti la presenza di tante figure diverse, ma una figura che abbia le conoscenze adeguate. Solo per grandi progetti si richiede aiuto degli specialisti.



–Quadro normativo progettuale e ambientale.–Problemi inerenti la valutazione d’impatto ambientale delle gallerie.–Criteri di valutazione e decisione per l’inserimento di una galleria nel territorio.–Gallerie e ambiente. Tipi di gallerie e di imbocco.–Metodi tradizionali di scavo. Metodo belga. Metodo delle scudo. Scudi moderni. Scudi ad aria compressa. Nuovo metodo austriaco.–Tecniche di consolidamento dei terreni: iniezioni, micropali, jetgrouting, congelamento, Cutter Soil Mixing.–Spritz-beton. Bullonatura ed ancoraggio. –Gli esplosivi. Brillamento elettrico delle mine. Schemi di volata. Martelli perforatori pneumatici. Norme di sicurezza da adottarsi in galleria.

PROGRAMMA SINTETICO



–Metodi di calcolo delle strutture in galleria. Comportamento statico delle gallerie. Il metodo delle linee caratteristiche e curve caratteristiche. Studio tridimensionale dello scavo di una galleria.–Problematiche relative alla progettazione di gallerie urbane in sotterraneo. Metodo Milano. Spingitubo. Directional Drilling.–Pretunnel, Arco cellulare.–Le fasi della progettazione in sotterraneo (gallerie urbane ed extraurbane). Andamento planimetrico e altimetrico, sezione trasversale, intersezioni, rotatorie. Normativa di riferimento.–Misure di sicurezza nelle gallerie stradali di nuova costruzione(progettazione ed esercizio). Normativa tecnica. Il problema dell’incendio in galleria. Vie di fuga e piazzole di emergenza. Segnaletica e dispositivi di sicurezza. Ventilazione.–Tecniche di illuminazione in galleria. –Tecniche di ventilazione in galleria

PROGRAMMA SINTETICO



L’esame finale consiste in una prova orale su argomenti trattati nel corso.

Prova finale:

Videoproiettore, dispense in formato elettronico relative agli argomenti del corso.

Supporti alla didattica

Il corso comprende 46 ore di lezioni teoriche; non sono previste attività di laboratorio.

Articolazione in tipologie didattiche

Al termine del modulo gli allievi conosceranno la valutazione d’impatto ambientale delle gallerie, le problematiche relative alla progettazione, costruzione e gestione delle infrastrutture viarie in sotterraneo, la normativa tecnica relativa alla sicurezza stradale, i diversi metodi di calcolo delle strutture in galleria e saranno in grado di scegliere la migliore metodologia di scavo in rapporto al contesto di riferimento.

Conoscenze e abilità attese

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- M. Tanzini: Gallerie, aspetti geotecnici nella progettazione e costruzione, Palermo: Flaccovio, 2001;- Public Roads Administration: Norwegian Design Guide, Road Tunnels, Oslo, 1990;- AIPCR (quad.), XXIII Convegno Nazionale Stradale: Gallerie stradali, Verona, 1998;- Circolare del Ministro dei lavori pubblici 6 dicembre 1999, n. 7938, inerente la «sicurezza della circolazione nelle gallerie stradali con particolare riferimento ai veicoli che trasportano materiali pericolosi»;-Direttiva CEE 29/04/2004 n. 2004/54/CE (requisiti minimi sicurezza);-DLGS 264 05/01/2006: Attuazione della direttiva 2004/54/CE in materia di sicurezza per le gallerie della rete stradale transeuropea.- Norma UNI 11095/2003 - «Illuminazione delle gallerie stradali».

Testi di riferimento principali



- AIPCR (quaderni), XXIV Convegno Nazionale Stradale: Traduzione in lingua italiana delle Norme Francesi, Tedesche ed Austriache per la Sicurezza nelle gallerie stradali, Saint Vincent, 2001;- AIPCR C5 (quaderni) , XXIV Convegno Nazionale Stradale: Sicurezza e ventilazione delle gallerie stradali, Saint Vincent, 2001;- P. Colonna, O. Tragni: Il Directional drilling: la tecnica, i campi di impiego, le nuove possibilitàapplicative, in: Atti del Convegno: “Stato dell’arte e nuove possibilità applicative del directionaldrilling”, Bari, 1998.

Ulteriori testi suggeriti


LE OPERE IN SOTTERRANEO

• Le opere in sotterraneo non sono solo di viabilità (es. ci sono anche acquedotti).

• Le nazioni nordiche per vivibilità tendono a realizzare nel sottosuolo attività che in altre nazioni sono all’aperto per es. in Canada ci sono delle città sotterranee perché l’assenza di luce solare rende più vantaggiosa la vita in sotterraneo.

• In nord Europa sono più avanti in tale ambito, inoltre trasferire alcune attività in sotterraneo libera aree in superficie quindi si sfruttano al meglio gli spazi e si abbassano i costi delle aree.

• Di solito le opere sotterranee sono pubbliche.


CONDIZIONI DI DIVERSITA’ RISPETTO AI TRATTI IN SUPERFICIE

Nessuna attività laterale

Diverse condizioni atmosferiche (es. problemi in uscita se fuori c’è ghiaccio e dentro no)

Condizioni costanti di illuminazione (di notte si vede meglio in galleria di giorno meglio fuori; oggi esistono impianti che variano l’intensitàdella luce in base all’illuminazione esterna)

Difficoltà di percepire salite e discese, non c’èvisibilità delle linee di riferimento

Diverse condizioni per sicurezza, servizi di emergenza, sicurezza modificata in modo rigido

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CONDIZIONI DI DIVERSITA’ RISPETTO AI TRATTI IN SUPERFICIE

NECESSITA’ DI PROGETTAZIONE DIFFERENZIATA


LA DISCIPLINA ITALIANA SUI LAVORI PUBBLICI

• LEGGE 12 aprile 2006, N. 163• “La nuova legge quadro in materia di lavori

pubblici”

• D.P.R. 21 DICEMBRE 1999, N. 554• “Regolamento di attuazione della legge quadro in

materia di lavori pubblici 11 febbraio 1994, n. 109, e successive modificazioni”


IL PRINCIPIO

COME SCEGLIERE COSA “PRIORITARIAMENTE” REALIZZARE?

QUALE OPERA PUBBLICA E’ NECESSARIA?

LA DISCIPLINA ITALIANASUI LAVORI PUBBLICI



LO STRUMENTO “GUIDA” FONDAMENTALEE’ RAPPRESENTATO DALLO

STUDIO DI FATTIBILITA’…

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SULLA BASE SOPRATTUTTO DEGLI SDF SI REDIGONO I:

PROGRAMMMI TRIENNALI DEI LAVORI PUBBLICI

DEFINITI ALL’ART. 14 CO.2 “IL MOMENTO ATTUATIVO DI STUDI DI FATTIBILITA’ E DI

IDENTIFICAZIONE E QUANTIFICAZIONE DEI PROPRI BISOGNI”



CONSIDERAZIONI GENERALI

In Italia ci sono 4000 km di gallerie, di cui 1200 per ferrovie, 900 per strade, 150 per metropolitane ed i rimanenti per opere idrauliche

TRATTI FUTURI: •Le future linee ferroviarie ad alta velocità•Variante autostradale Firenze-Bologna•Potenziamento reti metropolitane•Attraversamento aree montuose•Nelle aree urbane per migliorare e ottimizzare i collegamenti


La reazione dei potenziali utenti di fronte al dover affrontare un tratto in galleria sono di due tipi:

COMPORTAMENTO AGGRESSIVO: L’utente tende ad aumentare la sua velocità per uscire il prima possibile dal tratto in galleriaCOMPORTAMENTO PRUDENTE: L’utente diminuisce notevolmente la sua velocità in quanto disorientato dalla diversità della situazione

Entrambi questi comportamenti risultano dannosi ai fini della sicurezza e ne sono la prova le tragedie del S.Gottardo e del Monte Bianco

CONSIDERAZIONI GENERALI


GEOLOGIA E PROGETTAZIONE

Aspetti tecnici ad oggi carenti:1. Redazione del modello geologico-tecnico del sottosuolo2. Interazione tra opere e faglie capaci di produrre dislocazioni in superficie

L’elaborazione di un modello attendibile è indispensabile per evitare di condurre lo scavo in condizioni non previste:

1.MGR:Modello geologico di riferimento

Considera tutti gli aspetti riguardanti geologia, geotecnica e idrogeologia,ed è una elaborazione concettuale della configurazione spaziale e della successione temporale dei processi che definiscono l’assetto di una determinata porzione di crosta terrestre.

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Le metodologie di avanzamento attualmente impiegate prevedono fasi di:

•Consolidamento•Scavo•Smarino•Posa in opera del rivestimentoprovvisorio

•Rivestimento definitivo

N.B. le opere in sotterraneo hanno livelli di incertezza di gran lunga maggiori rispetto a qualunque altra opera di ingegneria


Modello geologico tecnico del sottosuolo ed analisi preliminari

Analisi del tracciato in piccola scala

Individuazione e caratterizzazionedelle strutture geologiche regionali

Coinvolte direttamente o indirettamente nell’opera

Definizione dell’estensione dell’area per lo studio delle foto aeree, per l’acquisizione dellecarte topografiche,elaborazione di modelli morfologici tridimensionali.

Individuazione dell’area su cui effettuare i rilievi geologico-tecnici di dettaglio

Argomenti:stratigrafia,geomorfologia,tettonica,neotettonica,geotermia,geofisica,

idrogeologia,cartografia tematica,sondaggi esistenti

Delimitazione dell’area di interesse sulla quale eseguire la

raccolta bibliografica ed analisi del tracciato in scala più grande

Elaborazione di un modello geologico “bibliografico”

Studi bibliografici ed analisi preliminari


Rilievi geologico-tecnici di dettaglio

Verifica di quanto emerso nelle analisi precedenti attraverso un rilevamento

geologico-tecnico di dettaglio estesoa tutta la struttura interessata

Elementi tettonici presenti e loro caratterizzazione,

Contatti stratigrafici,Presenza di frane

Studio di tutti gli affioramenti presentiattraverso

l’analisi di campioni

Classificazione degli ammassirocciosi sulla base delle caratteristiche

geologico-tecniche emerse

Elaborazione di un modello geologico-tecnicodel sottosuolo preliminare

Studio idrogeologico ed idrologicoDefinizione di un modello della circolazioneidrica superficiale e sotterranea dell’areae interfernzeCon la struttura in progetto

Modello geologico tecnico del sottosuolo ed analisi preliminari


Modello geologico tecnico del sottosuolo definitivo

Analisi preliminare dei rischi potenziali connessoal modello elaborato:

1. Instabilità dei versanti2. Interazione tra l’opera e le risorse idriche3. Incompatibilità degli ambienti sotterranei con il

gradiente geotermico dell’area4. Presenza di gas5. Fragilità degli ammassi6. Presenza di cavità sotterranee7. Presenza di minerali radioattivi8. Intersezione del tracciato con faglie

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Analisi geognostiche

Indagini diretteSondaggi, prove in foro,

prelievo di campioni di roccia,realizzazione di trincee, ecc.

Indagini indiretteProspezioni geofisiche, prospezionigeochimiche, telerilevamento,ecc.

Taratura del modello preliminare e Taratura del modello preliminare e Valutazioni preliminari sul metodoValutazioni preliminari sul metodo

di scavodi scavo



Analisi dei rischi

Rischi derivanti dallecondizioni naturali

Rischi legati al metodo di scavo

Analisi della probabilità che un determinato evento si verifichie quantificazione del danno conseguente

Analisi dei costi da sostenere per la mitigazionedel rischio prima dello scavo, con quelli da sostenere

se l’evento si verifica durante lo scavo

Valutare la necessità delle indagini

Livelli di rischio valutatie ritenuti accettabili ELABORAZIONE DEL MODELLO

GEOLOGICO-TECNICO DEL SOTTOSUOLO



ESEMPIO:

L’incidente che si verificò durante i lavori di realizzazione dell’Autostrada Roma-L’Aquila-Teramo, iniziati nel 1969. Dopo quasi due anni di lavori condotti con avanzamenti abbastanza elevati, le due canne intersecarono una falda con un livello piezometrico posto a 200 m sopra il piano della galleria. Si verificò un colpo d’acqua che riversò terreni detritici finissimi nella galleria paralizzando completamente i lavori

foto


INTERAZIONE TRA OPERE E FAGLIE CAPACI

Nelle zone ad elevato rischio sismico non è difficile incontrare faglie capaci, che posono dar luogo a dislocazioni e/o a deformazioni superficiali

Conseguenze delle deformazioni:1. Danneggiamento delle gallerie, in particolar modo del rivestimento2. Variazioni permanenti o temporanee del sistema idrogeologico

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INTERAZIONE TRA OPERE E FAGLIE CAPACI

ESEMPIO:

L’oleodotto della Trans-Alaska Pipeline System per ovviare ai problemi relativi alle deformazioni ha attuato un sistema di giunti di svincolo dove sono sistemati dei binari che assecondano in caso di evento sismico le conseguenti deformazioni orizzontali


EFFETTI SUL TERRITORIO

Una galleria esercita sull’ambiente una serie di processi irreversibili:

1.Interferenza con la circolazione idrica2.Posizionamento dei materiali di risulta

1. Interferenza con la circolazione idricaLa presenza d’acqua crea una diminuzione delle caratteristiche meccaniche dell’ammasso ed una variazione del carico gravante sui rivestimenti provvisori.



Cos’è una falda?

Una falda è un corpo idrico sotterraneo costituito dall'acqua che occupa un certo quantitativo di rocce e/o sedimenti, saturando le fessure o i pori tra le particelle.Una certa quantità d'acqua delle precipitazioni si infiltra nel sottosuolo tramite pori dei granuli del terreno o tramite fessure e fratture, e per gravità scende a varie profondità sino ad incontrare una superficie impermeabile



Cos’è una falda?

Una falda è un corpo idrico sotterraneo costituito dall'acqua che occupa un certo quantitativo di rocce e/o sedimenti, saturando le fessure o i pori tra le particelle.Una certa quantità d'acqua delle precipitazioni si infiltra nel sottosuolo tramite pori dei granuli del terreno o tramite fessure e fratture, e per gravità scende a varie profondità sino ad incontrare una superficie impermeabile

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Il movimento dell'acqua nel sottosuolo è dipendente dalla permeabilità della roccia o sedimento (tempo occorso all'acqua a passare attraverso una sezione di materiale), la quale dipende in gran parte dalla porosità (volume percentuale dei vuoti/volume totale della roccia). L'acqua contenuta in queste rocce o sedimenti non è quasi mai completamente ferma, ma si sposta ad opera della gravità e della permeabilità (gradiente), se pur lentamente (cm/sec fino a cm/giorno).



L'acqua riempie completamente i meati dell'acquifero sino ad un certo livello corrispondente alla superficie piezometrica che è sottoposta ovunque alla pressione atmosferica.Si parla di falda acquifera libera o freatica quando lo strato permeabile saturo è limitato solo alla base da uno strato impermeabile (al letto della falda). In questo caso se le falde freatiche intersecano il versante di un rilievo possono originare delle sorgenti (vedi Fig.2).

La roccia o sedimento non saturo sovrastante il livello piezometrico èdefinita zona di aerazione.Si parla di falda acquifera in pressione quando lo strato permeabile saturo è limitato da due strati impermeabili posti uno sopra (al tetto della falda) ed uno sotto (al letto della falda).

La falda è così compressa tra due strati impermeabili, le acque sono sottoposte a pressione (falda artesiana) e potranno zampillare spontaneamente in presenza di pozzi. I pozzi così creati vengono chiamati artesiani e l'acqua che ne fluisce viene spinta al livello piezometrico (livello di equilibrio); vedi Fig. 1.



CONSEGUENZE:• Cedimenti• Instabilità dei fronti• Diminuzione delle portate

delle sorgenti• Prosciugamento di pozzi• Riduzione dei deflussi dei

corsi d’acqua

SOLUZIONIdrenare la falda fino a portare la piezometrica al di sotto del piano di scavo (dewatering)Sistemi di captazione che evitino il più possibile il contatto tra le acque e le opere


ASPETTI NORMATIVI

Per limitare l’impatto sotto l’aspetto idrogeologico risulta efficace una accurata scelta delle alternative. Tale confronto si può basare su dati facilmente reperibili presso gli enti preposti (APAT, ARPA, regioni, province)

Spesso la sola analisi di cartografie geologiche, idrogeologiche e degli acquiferi consente di identificare i vari percorsi alternativi

Legge Obiettivo (ed il D.Lgs. 190 del 2002 modificato dal D.Lgs. 189 del 17 agosto 2005)

Sposta lo studio di Impatto Ambientale sul progetto preliminare

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Nel caso del traforo del Gran Sasso, con il completamento delle opere, l’acqua captata dalle gallerie è stata immessa negli acquedotti che alimentano le province circostanti

ESEMPIO:



2. Posizionamento dei materiali di risultaIl materiale di risulta (smarino) deve essere necessariamente ricollocato altrove

SOLUZIONE:- Riutilizzo nella realizzazione di rilevati

N.B. E’ necessaria una riflessione sulle norme che vanno applicate nel trattamento di tale materiale (L. 15 dic 2004, n.308)


GALLERIE SUPERFICIALI E GALLERIE PROFONDE

GALLERIE PROFONDE

Presentano difficoltà diverse rispetto alle superficiali,crescenti con la profondità:

1. Fenomeni di plasticizzazione anche in materiali rocciosi2.2. Colpi di montagnaColpi di montagna (detensionamenti negli ammassi rocciosi con

possibile violenta proiezione di materiale in galleria)3. Elevate temperature

Con copertura superiore a 100 m


RACCOMANDAZIONE DELL’ ITA (InternationalTunnelling Association)

•È interesse del committente realizzare una campagna di indagini esaustiva•È necessario che il committente affidi la campagna di indagini ad un gruppo di esperti•La campagna di indagini va condotta con mezzi ed in tempi adeguati•La spesa dedicata alle indagini deve essere pari in media al 3% del costo totale•Vanno ottimizzate le procedure per l’esecuzione dei sondaggi•Vanno usate indagini geofisiche oltre alle indagini dirette•Si deve prevedere un sistema di monitoraggio

grafico

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TECNICHE CONOSCITIVE

Le problematiche da affrontare sono:

•Definire l’ampiezza dell’area da investigare

•Aspetti geologici e idrogeologici•Rilievi geofisici e geoelettrici correlati da sondaggi

Le indagini dovranno prevedere una accurata analisi di foto aeree stereoscopiche e saranno eseguite da adeguati rilievi di campagna

N.B. Le possibili condizioni geologiche sono essenzialmente di 2 tipi:

1. Rocce lapidee2. Terreni sciolti (situazione gravosa)


SCELTA METODI DI SCAVO

Solitamente la tecnica metodologia di scavo si sceglie in base alle tecniche dell’ Analisi multicriteria che consentono di affrontare una serie di parametri di natura differente.Relativamente al parametro tempo/costo, risulta competitiva la soluzione con scavo meccanizzato, che inoltre fornisce maggiori garanzie nell’ambito della sicurezza (effetto scudo).Lo scavo tradizionale risulta preferibile nel caso ci sia l’esigenza di una maggiore flessibilità

scavo meccanizzato scavo tradizionale

-Flessibilità-Competitività-sicurezza


-(TBM) Tunnel Boring Machine-Non scudate, scudate e doppio scudate-MIXSHIELD (operano sia a fronte

chiuso che a fronte aperto)-EPB (Earth Pressure Balance)

a fronte chiuso che possonooperare sottofalda

TIPOLOGIE DI SCAVO MECCANIZZATO

Attualmente sono in fase di studio e sperimentazione nuove tipologie di scavo meccanizzato, che consentirebbero il controllo di carichi idraulici molto elevati


SISTEMI PER L’EFFETTUAZIONI DELLE INIEZIONI

1.Da Bocca foro: realizzazione di un foro con successiva iniezione a partire dalla bocca del foro

2.Down stage: esecuzione di un foro in fasi successive procedendo all’iniezione di ciascun tratto di foro

3.Up stage: esecuzione di un foro per tutta la sua lunghezza e iniezione mediante otturatore a vari livelli

4.MPSP: esecuzione del foro praticando iniezioni attraverso un tubo apposito

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GALLERIE ARTIFICIALI EGALLERIE IN FONDOVALLE

Per le gallerie artificiali, se la falda acquifera è a pochi metri dal piano campagna è necessario eseguire un tampone di consolidamento prima dello scavo (jet-grouting)E’ necessario inoltre predisporre sistemi di pompaggio forzato della falda, ad esempio mediante pozzi (well points)

Per le gallerie in fondovalle avviene un effetto barriera sulla circolazione idrica sotterranea, con innalzamento della falda a monte e abbassamento a valle, rispetto all’andamento delle linee di flusso.Nel transitorio si possono adottare fasi costruttive che prevedano la realizzazione parzializzata delle opere, con getto delle paratie e scavo del terreno per campi sfalsati.A lungo termine l’effetto barriera può essere mitigato attraverso la messa in opera di sistemi di by-pass definitivi


CONCLUSIONI

VANTAGGI:-Cantieri non visibili-Polveri e rumori sono sepolti-A lavori ultimati si vedono solo gli imbocchi

AMBITI CONOSCITIVI:

1. Ricostruzione dell’assetto geologico, geomorfologico, idrogeologico e caratterizzazione geotecnica dell’area di progetto

2. Interferenza con la circolazione idrica sotterranea3. Materiali di scavo

Una significativa precisione negli studi geologici si ripercuotedirettamente in una elevata “efficienza” della progettazione

Riduzione della frangia di rischio di insuccesso

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