Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2004 - IARG 2004 Trento, 7-9 luglio 2004

Severi M. e Vannucchi G.

EFFETTI INDOTTI DALLO SCAVO DI UNA GALLERIA URBANA: METODI EMPIRICI E MODELLI NUMERICI NEL PROGETTO DI FATTIBILITÀ DI UNA MICROMETROPOLITANA PER FIRENZE

Marco Severi, Giovanni Vannucchi Dipartimento di Ingegneria Civile - Università degli Studi di Firenze

e-mail marco.severi@dicea.unifi.it, giovan@dicea.unifi.it

Sommario

Nella nota sono presentati i risultati di alcune delle analisi, svolte nell’ambito dello studio di fattibilità della micrometropolitana di Firenze, per la stima del rischio di danno sugli edifici indotto dallo scavo della galleria di progetto. Sono stati utilizzati sia i metodi empirici basati sulla valutazione del volume perso in campo libero (green-field), sia quelli numerici mediante modelli FEM e FDM 2D trasversali per analizzare l’interazione terreno-galleria-struttura.

Introduzione Il presente studio si colloca nel più ampio progetto di fattibilità tecnico-economica per un si-stema di trasporto urbano sotterraneo per la città di Firenze, denominato “micrometropolitana (µM)”. La µM si caratterizza per avere una galleria a singolo senso di percorrenza del diame-tro di scavo di soli 4,80 m. Il profilo altimetrico presenta un andamento a catenaria, risalendo fino ad una quota in asse galleria di -9,50 m dal piano campagna in corrispondenza delle sta-zioni, per portarsi a quote massime di -20,00 ÷ -25,00 m dal p.c. tra due stazioni contigue. Questo andamento, unitamente alle ridotte dimensioni del cavo ed alla tecnica di scavo mec-canizzato con scudo chiuso, garantisce un impatto sulle strutture ridotto. Ciò nondimeno, so-prattutto in vicinanza delle stazioni e nella parte di tracciato che interessa il centro storico gli effetti indotti non sono trascurabili. Le unità geotecniche omogenee presenti nel sottosuolo fiorentino sono state caratterizzate dal punto di vista fisico meccanico, utilizzando i risultati delle prove in sito e di laboratorio, con-tenuti nella banca dati geotecnici del Dipartimento di Ingegneria Civile dell’Università di Fi-renze. In figura 1 è riportata la sezione stratigrafica relativa alla parte di tracciato che attraver-sa il centro storico, mentre in tabella 1 sono indicati gli spessori medi, utilizzati per le analisi numeriche, e le proprietà geotecniche caratteristiche dei terreni incontrati. Le unità geotecniche sono: R: materiali ete-rogenei di riporto e depositi di esonda-zione recente dell’Arno e dei suoi af-fluenti; Ag: formazioni alluvionali costi-tuite in prevalenza da ghiaia, sabbia e ciottoli con matrice limo-argillosa; Aa: formazioni di deposito fluvio-lacustre costituite in prevalenza da argille limose o limi argillosi, generalmente di elevata consistenza; S: substrato costituito in prevalenza da arenaria torbiditica quar-

Tab. 1. Principali valori di progetto delle proprietà meccani-che e fisiche dei terreni

Unità geotecnica R Ag S caoticiz. integro Spessore [m] 4.70 11.60 4.70 - γ [kN/m3] 19.5 21.0 23.0 23.0 IP [%] 15.2 17.3 21.5 - φ [°] 27.8 39.0 43.3 43.3 c’ [kPa] - - - 100 E [MPa] 6.77 175 133 485 G0 [MPa] 2.67 70 104 170 k [m/s] 10-6 10-4 10-7 10-9

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zoso-calcarea, e argilloscisti; è presente una fascia intermedia caoticizzata. La falda freatica si trova ad una profondità di 5,35 m dal p.c.

Fig. 1. Profilo stratigrafico lungo il tracciato (la scala verticale è 25 volte la scala orizzontale).

Analisi del rischio indotto all’ambiente costruito Il volume perso VL che è la principale causa dei cedimenti in superficie, è assunto pari ad una percentuale del volume di scavo VS (VL = c VS). Sulla base di un’ampia casistica di lavori si-mili per tipo di terreno e tecnologia di scavo (Tanzini 2001), nel caso della µM, si è stimato c pari a 0,5 % in condizioni di normale avanzamento di scavo. Sono stati poi considerati i valori c = 1,0% in condizione critiche di ridotta velocità di avanzamento, caso questo non frequente ma con probabilità di accadimento non trascurabile, e c = 1,5% in condizione di allarme, rela-tivo ad eventi eccezionali (blocco macchinario, ecc.).

Metodo semiempirico Definito il valore di volume perso, il bacino dei cedimenti atteso in superficie è stato calcolato in condizione di campo libero (green-field) con riferimento a profili di subsidenza di tipo gaussiano con i tradizionali metodi semiempirici, (O’Really e New 1982, Peck 1969, Mair e Taylor 1993 e altri). La valutazione del danno indotto sull’edificio è stata quindi effettuata con riferimento agli abachi di Burland (1995) che prevedono classi di danno crescente da 1 a 5, mediante la procedura per fasi di esclusione successiva, schematizzando l’edificio come una trave equivalente soggetta al campo di spostamenti green-field. Tutti i fabbricati ricadenti all’interno della fascia d’influenza dello scavo della galleria sono stati analizzati. Si è rilevato che in condizioni di scavo normale (c = 0,5%) il bacino dei cedimenti è tale che nessun edifi-cio subirà distorsioni o cedimenti differenziali di entità tale da produrne il danneggiamento. In condizioni di scavo critiche (c = 1,0%), e ancor più in condizioni di scavo di allarme (c = 1,5%), alcuni degli edifici più vulnerabili risultano essere a rischio di danneggiamento.

Analisi numeriche di interazione La presenza di fabbricati con classe di danno elevata ha richiesto una più approfondita analisi condotta con metodi numerici alle differenze finite (codice FLAC) e agli elementi finiti (codi-ce PLAXIS), su modelli 2D trasversali all’asse della galleria. Le analisi sono state eseguite con riferimento ad un edificio tipo in muratura portante multipiano, le cui dimensioni sono state ottenute attraverso un’analisi statistica riguardante tutti i fabbricati ricadenti nell’area del centro storico fiorentino, e alle condizioni stratigrafiche e geotecniche medie della parte cen-trale del tracciato della galleria (figura 1 e tabella 1). Per i terreni è stato adottato un legame costitutivo elasto-plastico con criterio di rottura Mohr-Coulomb; analoghe ipotesi sono state fatte per le murature, con l’ulteriore specifica di aver imposto una resistenza a trazione limita-

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ta (cut-off). In considerazione dell’elevata permeabilità dello strato in cui avviene lo scavo tut-te le analisi sono state svolte in condizioni drenate. Per investigare l’influenza della rigidezza della parete ed il conseguente quadro fessurativo sono state prese in considerazione tre diverse posizioni del pannello murario rispetto alla gal-leria: in asse (posizione “A”), nella zona tra sagging e hogging (posizione “B”) e nella zona di hogging (posizione “C”). Si sono variati inoltre i parametri di resistenza delle murature per tenere in conto le tipologie costruttive presenti (pietrame grossolanamente sbozzato e muratu-ra a sacco). Infine sono stati presi in considerazione pannelli pieni, per i setti di spina, e con differenti percentuali di aperture, per le facciate degli edifici. I risultati hanno messo in evidenza che sia per i pannelli pieni che per quelli con aperture, il profilo dei cedimenti si modifica rispetto al green-field, presentando una rotazione rigida della struttura, con conseguente abbattimento dei cedimenti differenziali (figure 2,3,4).

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30

Distanza (m)

Ced

imen

to (m

m)

c=0,5% greenfield

c=0,5% parete piena

c=0,5% parete finestrata

c=1,0% greenfield

c=1,0% parete piena

c=1,0% parete finestrata

c=1,5% greenfield

c=1,5% parete piena

c=1,5% parete finestrata

Ingombro edificio

Fig. 2:Cedimenti per la parete in posizione "A"

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30

Distanza (m)

Ced

imen

to (m

m)

piena c=0,5%forata c=0,5%piena c=1,0%forata c=1,0%piena c=1,5%forata c=1,5%green-field c=0,5%green-field c=1,0%green-field c=1,5%

Ingombro edificio

Fig. 3:Cedimenti per la parete in posizione "B"

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

-30 -20 -10 0 10 20 30

Distanza (m)

Ced

imen

to (m

m)

green-field c=0,5%piena c=0,5%forata c=0,5%green-field c=1,0%piena c=1,0%forata c=1,0%green-field c=1,5%piena c=1,5%forata c=1,5%

Ingombro edificio

Fig. 4:Cedimenti per la parete in posizione "C"

Le massime deformazioni di trazione nella muratura per i pannelli pieni, in nessun caso rag-

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giungono i livelli stimati con il metodo semiempirico che trascura l’interazione terreno – struttura. Nel modello che presenta le deformazioni maggiori (posizione A con percentuale di volume perso dell’1,5%) non si supera mai il valore corrispondente ad un grado di danneg-giamento leggero. Al contrario, per le pareti con aperture, si apprezza un sensibile aumento delle deformazione di trazione, localizzato al livello dei maschi murari di interpiano, che rispecchia il tipico quadro fessurativo per effetti differenziali in fondazione. In alcuni dei casi indagati (parete nelle posizioni A e B), a parità di caratteristiche meccaniche dei materiali, la classe di rischio di danno può superare la terza per c = 1,5% (figura 5).

%

-0.100

-0.075

-0.050

-0.025

0.000

0.025

0.050

0.075

0.100

0.125

0.150

0.175

0.200

0.225

0.250

0.275

0.300

0.325

0.350

0.375

0.400

Fig 5. Deformazioni di trazione nel caso di parete in posizione “A” (sinistra) e “B” (destra)

Conclusioni In questa nota sono stati presentati alcuni dei risultati dello studio degli effetti attesi della rea-lizzazione di una galleria urbana sulle strutture esistenti, con particolare riferimento a quelle in muratura. La ricerca svolta tramite metodi empirici e numerici di interazione, ha evidenzia-to la complementarietà dei due approcci, fornendo il primo una stima cautelativa del danno al livello globale dell’edificio, il secondo una visione di dettaglio del potenziale quadro fessura-tivo indotto dallo scavo della galleria.

Bibliografia

Atkinson J. H. & Potts D. M. (1977), “Subsidence above shallow tunnels in soft ground”, Journ. of Geotech. Eng. Division, ASCE GT4, pp. 307 ÷ 325.

Burland J. P. (1995), “Assessment of risk of damage to buildings due to tunnelling and excavation”, Proc. 1st Int. Conf. on Earthquake Geotechnical Engineering of Tokyo, November 1995.

Mair R. J. & Taylor R. N. (1993), “Subsurface settlement profiles above tunnels in clays”, Geotechnique 43, no.2, pp.315 ÷ 320.

O’Really M. P. & New B. M. (1982), “Settlements above tunnels in United Kingdom – their magnitude and prediction”, Tunnelling ’82, Londra, pp. 173 ÷ 181.

Peck R. B. (1969), “Deep excavations and tunnelling in soft ground”. 7th Conf. Soil Mech., Mexico City, State of the Art volume, pp. 225 ÷ 290.

Severi M., Vannucchi G, (2004), “Rapporto Geotecnico”, in “Studio di fattibilità di un sistema di mi-crometropolitana per Firenze”, Angotti F. (Editor) CD.

Severi M., Vannucchi G, (2002) , “Effects of the expected settlements following excavation of a proposed underground subway tunnel in the historic centre of Florence”, Proc. 2nd Int. Conf. on Soil Structure Interaction in Urban Civil Engineering, Zurich, Switzerland.

Tanzini M. (2001), “Gallerie – aspetti geotecnici nella progettazione e costruzione”, collana di Geotec-nica e Ingegneria Geotecnica, Dario Flaccovio Editore, Palermo 2001.