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La costruzione di gallerie in ambiente urbano Massimo Chiarelli – Esperto in tecniche avanzate di scavo in sotterraneo

sistemi di trasporto sotterraneo rappresentano una soluzione ottimale nelle grandi città, dove è forte la necessità di trovare un’alternativa efficiente e capillare alle vie di comunicazione superficiali, oramai

sempre più intasate per via del traffico con forti ripercussioni sull’ambiente. La realizzazione di gallerie sotterranee in aree urbane presenta però diverse problematiche: bisogna far fronte alla sempre maggiore esiguità degli spazi di suolo non utilizzato, occorre prestare attenzione all’interazione tra l’opera in costruzione e le infrastrutture adiacenti e, in particolar modo, occorre confron-

tarsi con situazioni geologico-geotecniche spesso difficili1. Tutto ciò è ancora più rilevante se si pensa che la libertà di scelta del tracciato è comunque limitata. La realizzazione di gallerie me-tropolitane produce inevitabil-mente un’alterazione dello stato tensionale e deformativo del terreno. L’effetto si risente al livello del piano campagna in modo tanto più sensibile quanto più superficiali sono le gallerie stesse: lo scavo e le modalità con cui questo viene effettuato producono lo sviluppo di cedi-menti che si propagano anche a grandi distanze e possono ave-re un impatto a volte anche ca-tastrofico con l’ambiente urba-no. La valutazione dell’impatto della

realizzazione di gallerie metropolitane sulle strutture e/o reti di servizi sovrastanti rappresenta, quindi, un passo cruciale del percorso progettuale, in particolare nelle aree caoticamente urbanizzate ed intensa-mente antropizzate. Conseguentemente, risulta di fondamentale importanza la valutazione dei potenziali danni indotti, in modo da prevedere con una mirata azione di monitoraggio, adeguati interventi di mitigazione e salvaguardia. Infatti, è oggi possibile ricorrere a soluzioni innovative offerte dallo sviluppo delle tecniche di miglioramen-to e rinforzo dei terreni in termini di caratteristiche meccaniche: stiamo parlando del preconsolidamento.

                                                            1 M. Chiarelli - Valutazione degli spostamenti e delle deformazioni sul rivestimento definitivo di una galleria in risposta alla deforma-zione del terreno circostante generata dall'esecuzione di uno scavo profondo: IL METODO GRAFICO SEMPLIFICATO smartGDE - "INGENIO" n°22, Imready Srl – RSM 

I

La realizzazione di gallerie metropolitane produce inevitabilmente un’alterazione dello stato tensionale e deformativo del terreno. L’effetto si risente a livello del piano campagna

in modo tanto più sensibile quanto più superficiali sono le gallerie stesse

Figura 1 - Nuova linea M4, stazione di Milano Linate - Le TBM pronte per l'esecuzione dello scavo

 Massimo Chiarelli – La costruzione di gallerie in ambiente urbano 

 

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Il controllo degli effetti indotti dallo scavo di gallerie in am-biente urbano, quindi, è di estrema importanza ed attuali-tà. Per la realizzazione di reti di trasporto metropolitano, spesso il principale requisito di progetto è quello di ridurre al minimo gli effetti sulle strutture limitrofe specialmente se ad essere interessato potrebbe essere il patrimonio storico e artistico ovvero, gli splendidi centri storici delle nostre città. La valutazione degli effetti sul-le strutture è cosa non sempli-ce e scaturisce da analisi di carattere multidisciplinare che richiedono l’interazione tra competenze proprie non solo dell’ingegneria geotecnica e strutturale, ma anche dell’archeologia, dell’architettura, del restauro e della conservazione dei beni monumentali2. I cedimenti generati dallo scavo di una galleria Come noto agli addetti ai lavori, in condizioni di campo libero, la conca di subsidenza generata dallo scavo

di una galleria è ben riprodotta dai metodi empirici che, in dire-zione normale all’asse della gal-leria, la assimilano ad una curva di probabilità gaussiana invertita (Peck, 1969). La presenza di strutture in superficie altera il profilo di subsidenza di campo libero a causa dell'interazione tra strutture, terreno e la galleria stessa. Appare intuitivo che nel-la previsione del profilo di subsi-denza in presenza di strutture esistenti, le analisi numeriche possono assumere particolare rilevanza. Tuttavia, la previsione numerica del campo di sposta-menti indotto dalla costruzione di una galleria in presenza di strutture è molto complessa an-che perché influenzata da molti fattori di natura computazionale:

ad esempio, la modellazione del problema in condizioni di deformazione piana o in condizioni tridimensio-nali, la discretizzazione del dominio di integrazione, il modello costitutivo adottato per il terreno, la model-lazione della struttura, ecc. La figura 4 rappresenta schematicamente una galleria in corso di realizzazione, con il proprio asse a pro-fondità Z0 al di sotto della superficie del terreno3. Lo scavo della galleria produce in superficie una distri-buzione di spostamenti del terreno, con una “conca” di cedimenti che si sviluppa al di sopra della galleria, lateralmente ad essa ed anche in avanzamento rispetto al fronte di scavo.

                                                            2 M. Chiarelli - Le vibrazioni degli edifici indotte dalle ferrovie sotterranee - "Strade & Autostrade" n°44, EDI-CEM Srl – MI 3 M. Chiarelli – L’arte del costruire gallerie – Editrice | Uni Service, Trento, 2009 

Figura 2 – Pozzo di arrivo TBM e stazione Torrassa metro di Barcellona

Figura 3 - Vista generale della Piazza-Stazione Roberto Malatesta metro C - Roma

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L’analisi di molteplici casi reali, ha mostrato che la distribuzione degli spostamenti verticali in superfi-cie, lungo una sezione trasversale ad una certa distanza dal fronte, può essere descritta molto fedelmente dall’espressione di una gaussiana:

2

2

max 2exp

i

xww ;

nella quale wè il cedimento di un punto generico posto sulla superficie del terreno, wmax il cedimen-to in corrispondenza della proiezione in superficie dell’asse della galleria, x la distanza del punto di flesso del profilo della conca di subsidenza. Il valore di i può essere stimato con l’espressione:

0zKi ;

nella quale il coefficiente K può essere pari a 0,2 e 0,3 in terreni granulari, tra 0,4 e 0,5 in argille consi-stenti e può infine raggiungere valori pari a 0,7 in argille tenere. Da esperienze dirette, in prima approssimazione e per terreni argillosi, la larghezza della zona interessata dai cedimenti è pari a 3 volte la profondità dell’asse della galleria. Il volume Vs della conca di subsidenza, per unità di lunghezza della galleria, può essere ricavato integran-do l’espressione della gaussiana di cui sopra scritta per ricavare il cedimento w:

max2 wiVS .

Si assume che il terreno si deformi a volume costante e, quindi, che il volu-me della conca di subsidenza sia uguale al volume di terreno scavato per la realizzazione del cavo della gal-leria. Quest’ultimo viene posto pari ad una percentuale di V’ dell’area trasver-sale della galleria:

4

2DVVS

;

dove D= diametro del foro della galleria. Il valore di V’ che è parametro essenziale per una corretta previsione, dipende essenzialmente dal tipo di terreno e dal metodo di scavo. In argille di ridotta consistenza eseguendo lo scavo con scudo a pressione bilanciata (EPB) sono stati rilevati valori fino al 3%; con la stessa macchina, in terreni a grana grossa al di sotto della falda il valore di V’ è stato dello 0,2%. In argille consistenti come le argille di Londra si sono ottenuti valori di V’ dell’1÷2% sia per scavi con scudo, sia per scavi con il Nuovo Metodo Austriaco. Per terreni granulari il valore risulta compreso tra 3 e 10 % ed in generale tra lo 0,5 ed il 2,5 % per argille con-sistenti. Combinando tra loro le espressioni anzidette, si ha:

20

2

2

0

2

2exp

311,0

zK

x

zK

DVw .

Figura 4 - Conca di subsidenza

Figura 5 - Curva di subsidenza in direzione trasversale all’asse della galleria

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I danni prodotti agli edifici dipen-dono anche dagli spostamenti orizzontali, stimabili sulla base dell’ipotesi che il vettore sposta-mento sia diretto in ogni punto verso l’asse della galleria. In base a tale ipotesi risulta:

wz

xu

0

;

da cui è possibile, differenziando l’espressione, ottenere il valore

della dilatazione lineare xx .

Le cause e gli effetti degli scavi in sotterraneo Abbiamo detto che la subsidenza è il risultato di una complessa in-terazione di fenomeni, tutti volti a provocare un abbassamento del terreno in superficie. Per questo moti-vo, l’impostazione della progettazione deve essere orientata al controllo delle deformazioni del terreno, sia per limitare la subsidenza di superficie, sia per ottimizzare gli interventi di sostegno nelle varie fasi della costruzione. La necessità del controllo delle subsidenze deve essere orientata a rispettare alcuni vincoli. Questi vincoli possono essere riassunti come segue:

1. evitare il danneggiamento delle infrastrutture e degli edifici in superficie; 2. garantire la sicurezza dei lavoratori in tutte le fasi di lavoro; 3. controllare l’incremento delle sollecitazioni nel rivestimento provvisorio che può risultare dal deca-

dimento dei parametri di resistenza dei terreni, da carichi asimmetrici (dovuti alla geomorfologia, in prossimità di un’altra cavità), e eterogeneità del terreno;

4. evitare l’innesco e la rimobilitazione di fenomeni d’instabilità di versante.

Per definire in particolare il livello di interferenza fra lo scavo di una gal-leria e le strutture e i servizi presen-ti in superficie o in sotterraneo, è necessario da un lato, valutare la subsidenza indotta e dall’altro, defi-nire i valori del cedimento ammissi-bile in relazione alla tipologia ed alla finalità d’uso dell’opera interes-sata dal movimento. Oltre ai movimenti locali e immedia-ti dovuti alla rottura dell’equilibrio naturale con l’apertura di superfici di discontinuità presenti nelle for-mazioni rocciose, esistono movi-menti “generali” legati alle caratteri-stiche dei terreni e all’interazione tra il suolo ed il rivestimento. Questi

ultimi, più facilmente quantificabili, sono altresì attribuibili alle seguenti cause: - abbassamento del livello di falda, con conseguente cessazione della spinta idrostatica sugli strati

di copertura; - i processi di consolidamento del terreno; - l’asportazione del terreno per via dello scavo, a cui fa seguito una redistribuzione delle pressioni

nel suolo sia esso una formazione rocciosa o un terreno; - comportamento viscoso della formazione di copertura (fenomeno chiaramente reologico).

Figura 6 - Realizzazione della Stazione Pigneto Metro C - Roma

Figura 7 - Cedimenti, spostamenti e deformazioni orizzontali in direzione trasversale all’asse della galleria

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Per quanto concerne i metodi costruttivi delle gallerie metro in ambiente urbano, si opera oggi nell’ottica di minimizzare l’impatto ambientale degli scavi. Per questa ragione è sempre meno frequente il ricorso alla soluzione di gallerie a cielo aper-to scavate secondo il Metodo Milano (più noto oggi come “cut and cover”). Infatti, l’esigenza di limitare nel tempo l’interruzione del traffico di superficie a causa dei lavori riducendo al minimo le ripercussioni sulla viabilità e quindi sul traffico urbano, ha comportato l’esigenza di adotta-re tecniche meno invasive come lo scavo a foro cieco (ossia sen-za aperture del cantiere verso la superficie) riducendo drastica-mente l’utilizzo di scavi a cielo

aperto. Se da un lato ciò ha permesso di annullare quasi del tutto l’impatto dei cantieri sulla rete viaria, dall’altro ha reso obbligatorio lo sviluppo di tecniche costruttive più complesse. Infatti, nel caso in cui le città sorgono su terreni granulari (caso frequentissimo), lo scavo a foro cieco deve confrontarsi con il pro-blema delle cattive proprietà meccaniche del materiale coinvolto nella realizzazione delle gallerie: le parti-colari caratteristiche di deformabilità e di resistenza di tali terreni fanno sì che il fronte di scavo non sia in grado di autosostenersi nemmeno per il tempo necessario alla messa in opera del sostegno provvisorio. Di conseguenza, non è possibile procedere con i mezzi e le tecniche tradizionali: occorre utilizzare metodi differenti in grado di fornire il sostegno al terreno da scavare. Gli sforzi compiuti in questa direzione sono ingenti. Le soluzioni che oggi è possibile adottare sono diverse e spesso utilizzate anche in combinazione. In generale, si possono evidenziare due principali impianti co-struttivi:

1) Scavo meccanizzato a piena sezione; 2) Scavo convenzionale (a sezione piena o parziale) preceduto da interventi di consolidamento

del terreno attraversato. La fase di scavo o abbattimento del terreno disturba inevitabil-mente gli equilibri naturali pree-sistenti nell’ammasso, produ-cendo al suo interno cambia-menti di carattere tensionale, geomeccanico e idrogeologico. Dal punto di vista tensionale, il campo originario di tensioni, uniformemente distribuite nel volume di terreno interessato dall’opera in costruzione, viene deviato all’esterno della cavità in avanzamento (canalizzazione delle tensioni), con la conse-guente formazione di zone di sovrasollecitazione in corri-spondenza delle sue pareti. Dal punto di vista geomeccani-co, se il materiale in funzione

Figura 8 - Scavo a tutta sezione con rivestimento definitivo in conci prefabbricati

Figura 9 - Galleria realizzata a tutta sezione con sedi ferrate su due livelli - Metro M4 Milano

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delle proprie caratteristiche di resistenza e deformabilità viene sovrasollecitato in campo elastico, si pro-duce un fenomeno di “serraggio” delle sue fratture e discontinuità che si traduce in un incremento di resi-stenza al taglio. La canalizzazione delle tensioni, allora, può instaurarsi vicino al profilo di scavo, assicu-rando eccellenti condizioni di stabilità sia nel breve che nel lungo termine. Per contro, se lo stesso mate-riale viene sovrasollecitato in campo elasto-plastico, il terreno al contorno del profilo di scavo subisce un fenomeno di plasticizzazione che, com’è noto, dà luogo ad una significativa perdita di resistenza. Se la plasticizzazione si diffonde progressivamente verso l’interno dell’ammasso, causerà l’allontanamento della canalizzazione delle tensioni (effetto arco) dal contorno dello scavo. Le condizioni di stabilità della galleria varieranno di conseguenza, nel senso che queste saranno tanto più precarie quanto più il fenomeno di plasticizzazione è esteso. Dal punto di vista idrogeologico, la realizzazione di un cavo all’interno di un ammasso sotto falda provoca l’abbattimento drastico della piezometrica con il conseguente innesco di moti di filtrazione verso la galleria in costruzione. La mancata o scarsa regimazione dei moti di filtrazione possono dar luogo a fenomeni di trascinamento di materiale o sifonamento molto pericolosi per l’esistenza stessa della cavità. L’entità delle alterazioni e, quindi, l’impatto dello scavo, dipendono fortemente dalle modalità con cui viene compiuta l’operazione di asportazione o abbattimento del terreno e in particolare, dalla maggiore o minore gradualità di passaggio dai vecchi ai nuovi equilibri tensionali. Il metodo di esecuzione dello scavo di una galleria ne determina, quindi, la buona “salute” nel breve e nel lungo periodo della stessa e delle eventuali altre opere adiacenti. Come dicevamo in precedenza, lo scavo può essere condotto a piena sezione, a mezza sezione o previa parzializzazione. È interessante mettere in evidenza come gli orientamenti più recenti privilegi-no, ogni volta che è possibile (escludendo le gallerie di forma e dimensioni inusuali), lo scavo a piena sezione, anche e soprattut-to nei terreni e nelle condizioni tenso-deformative più difficili. In passato, in situazioni complesse, il metodo costruttivo con cunicoli laterali e getto anticipato dei pie-dritti occupava un’importante po-sizione. Oggi non è più molto dif-fuso a causa delle anguste condi-zioni di lavoro nei cunicoli, che si traducono in ridotte velocità d’avanzamento che, nei casi mi-gliori, non sono mai superiori a 1 metro/giorno. Anche l’avanzamento a mezza sezione, pur consentendo un maggior grado di meccanizzazione dal momento che l’altezza della galleria di calotta è in genere di 4,5 m o più, non gode più dei favori di un tempo in quanto, oltre a non dare comunque garanzie sulla stabilità del fronte di scavo senza adeguati interventi, generalmente pone seri problemi statici all’atto dell’apertura del-lo strozzo. Lo scavo a piena sezione, apparentemente paradossale nelle situazioni più difficili per la po-tenziale instabilità del fronte di scavo, la cui altezza raggiunge i 9÷12 m (una sezione superiore a 15 metri è stata realizzata con la TBM Martina per la galleria Sparvo sulla Variante di Valico Firenze-Bologna), si rivela invece, spesso assai affidabile e performante purché si assicuri la stabilità del fronte (l’unica zona critica con questo tipo d’avanzamento) con opportuni interventi di consolidamento. Grazie ai vantaggi statici che gli sono propri e alla meccanizzazione spinta che è possibile realizzare nei grandi spazi di lavoro disponibili, l’impiego dello scavo a piena sezione permette molto spesso di avanzare in condizioni di sicurezza eccellenti e di conseguire produzioni fuori dalla portata di altri metodi. A seconda della lunghezza della galleria, dell’esistenza di edifici intorno allo scavo o della diversa coesio-ne del terreno, gli scavi a foro cieco vengono realizzati con diverse modalità. Può essere adottata la tecni-

Figura 10 – Tunnel di base del San Gottardo - Vista della stazione multi funzione Faido Cantone Ticino

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ca del consolidamento del terreno con miscele cementizie o jet grouting4 in avanzamento oppure, la tec-nologia dello scavo meccanizzato con TBM (Tunnel Boring Machine) a pressione di terra bilanciata (EPB). Per manufatti minori e per sottopassi particolari si ricorre alla tecnica dello spingitubo. In particolari casi sono stati messi a punto sistemi innovativi come il cosiddetto “Arco cellulare” con cui è stata costruita, ad esempio, la stazione Venezia del Passante Ferroviario di Milano: con questo metodo è stato possibile realizzare uno scavo di grandissima luce con copertura sovrastante ridotta e presenza in superficie di traffico veicolare e tranviario. Il metodo consiste nel realizzare l'intera calotta prima di effet-tuare lo scavo della galleria stessa. In presenza di particolari condizioni geologiche, come ad esempio l’esecuzione di scavi nel sottosuolo in presenza di rocce tenere come la pozzolana e il tufo, al fine di evitare franamenti con conseguenziale in-vasione della cosiddetta “camera di lavoro”, si impiega la tecnica del congelamento del terreno alla tempe-ratura di -196°C mediante azoto liquido. Conclusioni La possibilità di costruire gallerie in ambiente urbano, rappresenta una soluzione estremamente funziona-le ai cronici problemi di traffico che affliggono le grandi città. Per far ciò, già dalla fase di realizzazione oc-correrà limitare nel tempo l’interruzione del traffico di superficie a causa dei lavori riducendo al minimo le ripercussioni sulla viabilità e quindi sul traffico urbano. Ciò comporta l’adozione di tecniche meno invasive come lo scavo a foro cieco, riducendo drasticamente l’utilizzo di scavi a cielo aperto, annullando quasi completamente l’impatto dei cantieri sulla rete viaria. L’esecuzione dello scavo e le modalità con cui questo viene effettuato generano inevitabilmente dei cedi-menti che si propagano anche a grandi distanze e possono avere un impatto a volte anche catastrofico con l’ambiente urbano stesso. Infatti, la valutazione dell’impatto della realizzazione di gallerie metropolita-ne sulle strutture e/o reti di servizi sovrastanti rappresenta uno step critico ed importantissimo del percor-so progettuale, in particolare nelle aree fortemente antropizzate. Grazie ai vantaggi offerti dalla meccanizzazione spinta di questi processi costruttivi, è oggi possibile rea-lizzare scavi a piena sezione (TBM-EPB) avanzando in condizioni geologico-geotecniche difficili ed in pre-senza di falda conseguendo produzioni in termini di avanzamento eccellenti.   Bibliografia [1]. M. Chiarelli – “Valutazione degli spostamenti e delle deformazioni sul rivestimento definitivo di una galleria in ri-

sposta alla deformazione del terreno circostante generata dall'esecuzione di uno scavo profondo: Il metodo grafico semplificato smartGDE” - “INGENIO” n°22, Imready Srl, RSM.

[2]. M. Chiarelli – “Le vibrazioni degli edifici indotte dalle ferrovie sotterranee” - “Strade & Autostrade” n°44, EDI-CEM Srl, Milano.

[3]. M. Chiarelli – “L’Arte del costruire gallerie” – Editrice | Uni Service, Trento, 2009. [4]. M. Chiarelli – “JET GROUTING: campi di applicazione e impiego come opera di sostegno” - "INGENIO" 02 Otto-

bre 2014, Imready Srl – RSM. [5]. M. Chiarelli – “Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, Microtunnelling e Horizontal Directional

Drilling” - “INGENIO” n°17, Imready Srl, RSM. [6]. M. Chiarelli - “Lo scavo meccanizzato TBM nella realizzazione di Tunnel”, Atti del convegno - Fiera Internazionale

del Libro - Lingotto Fiere, Torino, 2009. [7]. M. Chiarelli – “Trenchless Technology e Trivellazioni Orizzontali Controllate” - “INGENIO” 21 Gennaio 2014,

Imready Srl, RSM. [8]. M. Chiarelli – “L’attraversamento di aree in frana con rilevati stradali e ferroviari super leggeri” - “Strade & Auto-

strade” n°78, EDI-CEM Srl, Milano.

                                                            4 M. Chiarelli - JET GROUTING: campi di applicazione e impiego come opera di sostegno - "INGENIO" n° 26, Imready Srl – RSM