problemi di ingegneria geotecnica nei centri abitati scavi...

sommario:� introduzione

� conclusioni

� tecniche di scavo

� evidenze sperimentali

� condizioni di fessurazione

� valutazione del rischio di danno

problemi di ingegneria geotecnica nei centri abitati:scavi in sotterraneo

esempiJubilee Line Extension – LondonLinea C – Metropolitana di Roma

alta velocità

nodi ferroviari in costruzione e/o progetto

gallerie in ambiente urbano – introduzione - 1/2

n

ROMA

n

TORINO

n

MILANO

n

NAPOLI

metropolitane nei centri urbani

gallerie in ambiente urbano – introduzione - 2/2

analisi stabilità del cavo (1)

valutazione campo spostamenti

dimensionamento statico rivestimenti

temi di interesse

� valutazione campo spostamenti

sezione longitudinale sezione traversale

C

D

P

rivestimento

σt

σs

D

C

σt

σs

analisi stabilità del cavo

γ cucondizioni non drenate

condizioni drenate γ c’ ϕ’’

metodo di scavo

tradizionale

meccanizzato

sezione parzializzatainfilaggi meccanici

colonne di jet-grouting

pretaglio

rinforzo al fronte

piena sezione(scudo chiuso)

a pressione di fango(slurry shield)

a battente di terra(EPB Earth Pressure Balance)

piena sezione

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

12

3

123

12

1 1

2

3

1

2

3

1

2

a)

b)

c)

20-50 m

50-150 m

5-100 m

scavo concunicoli laterali

scavo concalotta e ribasso

scavo apiena sezione

13

3 2

2 1

metodo di scavo tradizionale

sezione parzializzata

torna

ombrello di infilaggi meccanici

realizzazionerivestimento definitivo

torna

ombrello di colonne di jet-grouting

torna

pretaglio

torna

rinforzo al fronte

torna

schema semplificato di scudo chiuso

Iniezione di intasamentoa tergo dei conci

Conci prefabbricati

Pressionedi confinamento

Setto di tenuta

Camera di scavo

Martinetti dispinta

Testa fresante

Scudo

torna

tipi di scudo chiuso

Nello scudo a pressione di fango, o slurry shield, la pressurizzazione del fronte è ottenuta ricorrendo a fango bentonitico o anche a miscele a base di polimeri, mantenute in pressione.

scudo a pressione di fango scudo a battente di terra

alimentazione fango

scarico fango

Lo scudo a battente di terra, o EPB (Earth Pressure Balance) utilizza il terreno appena scavato come mezzo di sostegno del fronte. Per ottenere una pressione costante al fronte, deve essere consentita l’estrazione controllata del materiale di riempimento della camera per mezzo di una coclea.

metodo di scavo - tendenze

tradizionale

meccanizzato

sezione parzializzata

scudo chiuso o TBM (Tunnel Boring Machine)

piena sezione

protezionee rinforzo

grandi dimensioni

effetti dello scavo in superficie

v

uw

y

z

zo

wmaxx

estensione della concadi subsidenza

gallerie in ambiente urbano – spostamenti - 1/2

x/i-3 -2 -1 0 1 2 3

-1.0

-0.5

w/wmax

• punto di flesso

w = wmax exp (-x2/2i 2)

spostamenti verticali in direzione trasversale

•

x/i


y/i

-3-2-10123

0.5

1.0w/wmax

w = wmax F(y/i )

spostamenti verticali in direzione longitudinale


0.2

0.4

ampiezza della conca di subsidenza (i )

K = 0.6÷0.7

K = 0.4÷0.5

K = 0.2÷0.3

n ≅ 0.8

1 102 3 5zo/D

1

10

2

3

5

0.5

2i/D

argille

argille

sabbie

zo

sabbiesopra falda

sabbiesotto falda

argille

i

D molli

consistenti

sopra falda

i n

oD

zK

D

= 22

i oKz=



volume perso sopra lo scudo

volume perso sopra il rivestimento

movimenti 3D al fronte

perdita di terreno, VL (Volume Loss)

volume di terreno scavato in eccesso alvolume nominale della galleria, espresso come percentuale di quest’ultimo

gioco tra rivestimento e terreno(sovrascavo, spessore scudo…)

tempo intercorso per la messain opera del rivestimento definitivo

volume perso al fronte

scudo

rivestimento definitivo

iniezioni di intasamento

x/i-3 -2 -1 0 1 2 3

-1.0

-0.5

w/wmax

x/i


terreni a grana finacondizioni non drenate

4D

VV2

LSπ=

e quindi

iL

2

maxVD313.0

w =

VS = 2.5i wmax

cedimento massimo in asse (wmax )

10

03

1

-1-2-4-0.5

0

def. di taglio(%)

def. di volume(%) + dilatazione

3

1

1

terreni a grana grossa VS < VL i

S2

maxVD313.0

w =

Tipo di metodo parametro K volume della terreno di scavo (i=Kzo) conca, VS(%)

argille consistenti scudo aperto 0.4-0.5 0.5-3.0non sostenuto

depositi glaciali scudo aperto 0.5-0.6 2.0-2.5aria compressa 1.0-1.3

depositi limo-argillosi poco consistenti aria compressa 0.6-0.7 2.0-10(cu=10-40kPa)

sabbie sopra falda 0.2-0.3 1.0-5.0

sabbie sotto falda SS/EPB 0.4-0.5 1.0-10

valori del volume della conca di subsidenza atteso

più realisticamente VS ≅ 0.5%

x/i-3 -2 -1 0 1 2 3

-1.0

-0.5

w/wmax

x/i-3 -2 -1 0 1 2 3

-1.0

-0.5

w/wmax

u = -x/zo w

spostamenti orizzontali in direzione trasversale

metodi empirici per la previsione degli spostamenti(condizioni di greenfield)

in superficie:

la curva di subsidenza è gaussianai (K) e wmax (VS) in base all‘esperienza

i vettori di spostamento puntanoverso l‘asse della galleria (u=x/zow)

per gallerie multiplevale il principio di sovrapposizione degli effetti

disponibili numerose osservazioni

metodi empirici per la previsione degli spostamenti(condizioni di greenfield)

in profondità:

la curva di subsidenza è ancora gaussianaad ogni z: i = K (zo-z) e wmax = 0.313D2VS/i

fuoco dei vettori di spostamento ?

osservazioni meno numerose

K e VS sono costanti con z ?

spostamenti delle fondazioni

A•

B•

C•

D•

LAD

∆max•

••

•

βmax

ω•

••

•

∆/L

•

••

•wmaxθmax

αmax

δwmax

εh=∆L/L

L

H

∆

edificio

trave equivalente

flessione

taglio

taglio

fless ione

0 2 4 6

L/H

0

1

2

3

∆/L___εlim

condizioni di fessurazione

1

1.5

4

L/H = 0.5

0.0 0.4 0.8 1.2εh/εlim

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6∆/L___εlim

2

L/H = 2

0.5

0.0 0.4 0.8 1.2εh/εlim

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

1.51

4

0.0 0.4 0.8 1.2εh/εlim

1.52

1

0.5

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

condizioni di fessurazione

Categoria di grado di severità deformazione limite didanno del danno estensione, elim (%)

0 trascurabile 0 - 0.051 molto leggero 0.05 - 0.0752 leggero 0.075 - 0.153 moderato 0.15 - 0.3

4-5 da severo a molto severo > 0.3

relazione tra categoria di danno e valori della deformazione limite di estensione

(Boscardin & Cording, 1989)

0c at. 1

c ategor ia 2danno di categor ia 3

danno d i cat egoria 4 e 5

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

deformazione orizzontale, εh (%)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

dis

tors

ion

e ∆

/L (

%)

abachi di isodanno

valutazione del rischio di danno

1. fase preliminare

si calcolano i cedimenti del piano campagnalungo il tracciato della galleria

si eliminano tutti gli edifici per cui:θmax < 1/500 e wmax < 10 mm

2. per gli altri edifici

si calcolano gli spostamenti al piano di posa delle fondazioni

si valutano ∆/L ed εh, assumendo che l‘edificio possa deformarsi congruentemente con il terreno (greenfield)

si confrontano le deformazioni calcolate con i valorilimite di esercizio

interazione terreno-strutturacontinuità strutturale dell‘edificiotipo di fondazionisequenza di scavo

3. esame dettagliato

... se necessario

4. strategia di mitigazione

tecniche di scavo particolariiniezioni di trattamentorinforzo strutturaleiniezioni di compensazioneristrutturazione e ripristino

misure e calcoli - greenfield

spostamenti in superficie

- validità della curva gaussiana- criteri per la valutazione di k- valori della perdita di terreno

spostamenti in profondità

- direzione vettori spostamento- larghezza delle curve di subsidenza

variazioni di u e s indotte dallo scavo

- effetti di lungo termine- carichi sui rivestimenti

sovrapposizione degli effetti

misure e calcoli – edifici e strutture

interazione terreno - struttura

osservazione del comportamento di edifici di diverso tipo strutturale

efficacia e controllo degli interventi di protezione

JUBILEE LINE EXTENSION

senza compensazione

con compensazionecantiereiniezioni

cantieremisure

cantieregalleria

iniezioni compensate (compensation grouting) principio di funzionamento

1 23

45

6789

101112

13

14

1516

1718

19

12

34

5

6

7

8 9 10 11 12 13

141516

17181920212223242526272829

30

31

32

33

34353637

ICE

shaft 3/2

TREASURY1

2

3

4

5

6

7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18 19

20 2122

2324

2526

2728

2930

3132

3334

35

3637

383940414243

44

45

46474849

5051

525354

555657

5859

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

eastbound

westbound

Treasury Building - Jubilee Line Extension (Viggiani e Standing, 2001)

01020304050

Gre

at G

eorg

e Str

eet

-23 m(82 m PD)

-32 m (73 m PD)

shaft

3/2

Inst

itution o

f Civ

il Engin

eers

(ICE)

Treasury

-15.5 m (89.5 m PD)

0.0

-7.0

-11.0

-48.5

argilla di londra

riporti

ghiaie

westbound

eastbound

ventaglio di TAM

iniezioni compensate (compensation grouting) esempio di applicazione

020406080100distanza da A (m)

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

spos

tam

ento

ver

tical

e (m

m)

5

7

6

4

4567

020406080100distanza da A (m)

-10

-5

0

5

10

15

20

spos

tam

ento

ver

tical

e (m

m)

36

35

34 33

35 36 34 33

senza trattamento con trattamento

iniezioni compensate (compensation grouting) esempio di applicazione

Treasury Building - Jubilee Line Extension (Viggiani e Standing, 2001)

METRO C

Metropolitana di Roma – Linea C

Mura Aureliane Amba Aradam

Basilica diMassenzio

Mura Aureliane S.Giovanni

StazioneAmba-Aradam

uscita 1

uscita 2

collegamento

c

indagini in sito

� 1995 SL

� 2000 SV� � 2002 SN SNCH PN� 2003 GS

� 1995 SL

� 2000 SV� � 2002 SN SNCH PN� 2003 GS

sezione 1 – parallela alle gallerie

quote s.l.m.

-20

-10

20

10

0

30

40

R

Apl

LSO

SN62

St/Ar

SV3SN22

SN21

SN19/SV5

SV6/GSSN64/SN14

SV7/SN13

SN11

Sg

level(m a.s.l.)

quote s.l.m.

-20

-10

20

0

10

30

40

R

LSO

Sg

Apl

SN62SN22 SN21

SN19

SV5/GS

SN63/SN64

SL37

SN20

SV6 SN14

sezione 3 – lungo le Mura

Mura Aureliane – Largo Amba Aradamstato di conservazione

GS1I

GS1V

GS2I

GS2V

Via Ipponio

33.14Via della Ferratella

30.80

16.30

14.30

19.00

25.00

RIPORTO

STRUTTURA CAEMENTICIA

STRATO POZZOLANICO MISTOA PEZZAME DI TUFO E LATERIZI

STRATO LIMOSONERASTRO ANTROPIZZATO

TERRENO NATURALE(LSO)

28.90

20.10

16.30

13.90

3.60

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

posizione fronte

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

VL = 0.5%

K = 0.5

wmax ≅ 15 mm

spostamenti di greenfield – metodi empirici

VL = 0.5%

K = 0.5

vmax ≅ 5 mm

spostamenti di greenfield – metodi empirici

100

70 70

62

13

12

7

30

γ ϕ’ c’ E’(kN/m3) (°) (kPa) (MPa)

R 18 35 0 52.5

StAr/LSO 19.5 30 20 52.5-175

Sg 20 40 0 252

Apl 20.5 26 50 182-273

analisi numeriche alle differenze finite– FLAC 3D

ϕ c σt E ν γ(°) (kPa) (kPa) (MPa) (kN/m3)

13 800 200 2000 0.15 22

tecnica di simulazione dello scavo

rivestimento scudo

P0

P0

2 m

10 m

δ

VL

δperdita di terrenoVL≅0.7%

spostamential cavo

cedimenti longitudinali alle Mura a piano campagna

cedimenti longitudinali alle Mura al piano di posa

cedimenti longitudinali alla galleria a piano campagna

analisi preliminari

flessione nel piano medio del muro

-2.0x10-4

-1.0x10-4

0.0x100

1.0x10-4

2.0x10-4de

f. lo

ng.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

L (m)

0

4

8

12

H (

m)

piano di posa

piano campagna

A

BC D

0.0x100

1.0x10-5

2.0x10-5

3.0x10-5

4.0x10-5

5.0x10-5

6.0x10-5

7.0x10-5

def

. di

este

nsi

one

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140L (m)

0.0x100

2.0x10-5

4.0x10-5

6.0x10-5

8.0x10-5

1.0x10-4

1.2x10-4

1.4x10-4

def

. di

est

ensi

one

finali

finali

piano campagna

piano di posa

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

5

10 avanzamento 50/100

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

5


10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

5


10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

5


10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

5


10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

5


10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

5


10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

5


10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

5


10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

5


10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

5


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

avanzamento del fronte di scavo

0.0x100

5.0x10-4

1.0x10-3

1.5x10-3

2.0x10-3

def

orm

azio

ni d

i est

ensi

one

DANNO 3

DANNO 2

DANNO 1

DANNO 0

green field

con muro

0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0008 0.0015 0.0030

1 2 3 4-5

A

t

s

f'*

c'*

sT*

c'

f'

sT

studio parametrico sulle resistenze

σ*T = σ T /F

c’* = c’/F

φ’* = φ’/F

-16

-8

0

8

-16

-8

0

8

-24

-16

-8

0

8

vert

ical

dis

plac

emen

t (m

m)

-32

-24

-16

-8

0

8

-60 -40 -20 0 20 40 60

distance form tunnel axis (m)

-32

-24

-16

-8

0

8

29 m a.s.l.(piano campagna)

26 m a.s.l.

22 m a.s.l.

19 m a.s.l.

16 m a.s.l.

� FLACGaussian (K=const.)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10fattore di riduzione delle resistenze (F)

1

1.5

2

2.5

3

3.5

defo

rmaz

ioni

di e

st. r

elat

ive

A

BC D

F=1F=2F=3F=4F=5F=6F=7F=8F=9F=10

studio parametrico sulle rigidezze

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0E / Erif

1

2

3

4

5

6

defo

rmaz

ioni

est

. rel

ativ

e

A

BC D

interfacce

-30 -20 -10 0 10 20 30

distanza dall'asse della galleria (m)

16

14

12

10

8

6

4

2

0

cedi

men

ti (m

m)

con interfaccesenza interfacce

binario dispari

binario pari

trattamenti

modello completo

-12

-10

-8

-6

-4

-20

cedi

men

ti (

mm

)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

L (m)

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

cedi

men

ti (

mm

)

binario dispari binario pari

totali

binario dispari binario pari

totali

effetti delle gallerie

Piano campagna

Piano di posa

-3.0x10-4

-2.0x10-4

-1.0x10-4

0.0x100

1.0x10-4

2.0x10-4

def.

long

.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

L (m)

048

1216

H (

m)

piano di posasommità

A

BC D=D'

A'

B' C'

flessione nel piano medio del muro

0.0x100

2.0x10-5

4.0x10-5

6.0x10-5

8.0x10-5

1.0x10-4

def

. di e

sten

sion

e

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140L (m)

0.0x100

4.0x10-5

8.0x10-5

1.2x10-4

1.6x10-4

def.

di e

sten

sion

e

Piano campagna

Piano di posa

deformazioni di estensione

1614121086420

-2

cedi

men

ti (m

m)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140L (m)

1614121086420

-2

cedi

men

ti (m

m)

galleriecunicolo

galleriecunicolo

effetti del cunicolo

Piano campagna

Piano di posa

0.0x100

2.0x10-5

4.0x10-5

6.0x10-5

8.0x10-5

1.0x10-4

1.2x10-4

def.

di e

sten

sion

e

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140L (m)

0.0x100

2.0x10-5

4.0x10-5

6.0x10-5

8.0x10-5

1.0x10-4

1.2x10-4

1.4x10-4

def.

di e

sten

sion

e

galleriecunicolo

galleriecunicolo

Piano campagna

Piano di posa

effetti del cunicolo

K=(0.175+0.325(1-z/zo))/(1-z/zo)Mair et al. (1993)

0.3 0.6 0.9 1.2

0.8

0.6

0.4

0.2

0

K

1

z/zo

i=0.63 D ((zo-z)/D)0.53

Clough & Schmidt (1981)� FLAC

Dyer (1996)Moh (1996)


26 m a.s.l.

22 m a.s.l.

19 m a.s.l.

16 m a.s.l.

-16

-8

0

8

-16

-8

0

8

-24

-16

-8

0

8

vert

ical

dis

plac

emen

t (m

m)

-24

-16

-8

0

8

-60 -40 -20 0 20 40 60


-24

-16

-8

0

8


26 m a.s.l.

22 m a.s.l.

19 m a.s.l.

16 m a.s.l.

-6

0

6

-6

0

6

-8

0

8

vert

ical

dis

plac

emen

t (m

m)

-8

0

8

-60 -40 -20 0 20 40 60


-8

0

8

horiz

onta

l dis

plac

emen

t, u

(mm

)

0.8

0.6

0.4

0.2

0

z/zo

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2H/zo

la profondità del fuoco, H, aumenta con z

opere in progetto

pozzo scudigallerie TBM

gallerie tradizionale

campagne di indagine

� 2002 SN

� 2002 PN� 2003 PA � 2003 PNN � 2003 SI

sezioni stratigrafiche

Sezione C ( PA3-SN3 )

Sezione B ( PA1-PA5 )

Sezione A

sezione 1sezione 2

sezione 3

sezione 3 - parallela alle gallerie

R

Sg

PA3

riportiassente

SSI2SN3 PA6

1209080 110100ghiaia

140130

lso

SN1

ghiaia

100 3020 5040 60 70

40

30

10

20

sezione 1 - ortogonale alle gallerie

9020

40

10

0

0

30

20

10

50

30 40 50 60 70 80 100 110 120 130

R

TA

Sg

R

Sezione B ( PA1-PA5 )

assenteriporti

ghiaia

riporti

ghiaia

morfologia antica – Bufalini 1551

perdita di volumeVL=0.5%

cedimenti di campo liberoa piano campagna

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Coordinate Est [m]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200C

oord

inat

e N

ord

[m]

-32

-30

-28

-26

-24

-22

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

-1

-0.5

-0.05S. G i o v a n n i

i n L a t e r a n o

V i a

S

a n

n i

o

VIA FIDENE

VIA LOCRI

VIA CORFINIO

w = 0.05 mm

posizione del fronte

wmax= 30mm

perdita di volumeVL=2.5%

cedimenti di campo liberoa piano campagna

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Coordinate Est [m]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200C

oord

inat

e N

ord

[m]

-85-80-75-70-65-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5-2-1-0.5-0.05S. G i o v a n n i

i n L a t e r a n o

V i a

S

a n

n i

o

VIA FIDENE

VIA LOCRI

VIA CORFINIO

posizione del fronte

w = 0.05 mm

wmax= 70mm

analisi numeriche di interazione 2D

RIPORTI

LIMI ARGILLOSI

SABBIE E GHIAIE

deformazione piana


-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30

distanza [m]

w [m

m]

posizione mura

gaussiana

FEM 2D


deformazione pianasimmetria assiale

problemi di ingegneria geotecnica nei centri abitati scavi...

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