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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

Gallerie realizzate in ammassi rigonfianti e/o spingenti – Massimo Chiarelli

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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

Gallerie realizzate in ammassi rigonfianti e/o spingenti – Massimo Chiarelli

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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