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PROGETTOE COSTRUZIONE

DI GALLERIE

PROGETTOE COSTRUZIONE

DI GALLERIEApproccio ADECO-RS

Prof. Ing. Pietro Lunardi

Approccio ADECO-RS

Prof. Ing. Pietro Lunardi

ADECO-RS

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SUPPLEMENTO A«QUARRY AND CONSTRUCTION» - Maggio 2001

edizioni pei - parma

copertina:

Galleria Tartaiguille

(Francia, TGV Méditer-

ranèe, linea Marsiglia-Li-

one): Dettaglio del fron-

te (180 m2 di sezione) con-

solidato con elementi

strutturali di vetroresi-

na. Lo scavo a mezza se-

zione, che si era dovuto

sospendere a causa del-

le condizioni tenso-defor-

mative davvero difficili, fu

ripreso a piena sezione

applicando i principi del-

l’approccio A.DE.CO.-RS e

quindi terminato con qua-

si due mesi di anticipo sul-

la data prevista.

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1. PREMESSAChi si accinge a progettare e

costruire un’opera in sotterra-neo, si trova a dover affrontaree risolvere un tema d’ingegneriacivile particolarmente comples-so, essendo una tal opera, rispet-to a una in superficie, assaimeno predeterminabile nei suoidati essenziali per la progetta-zione.

Innanzitutto non si tratta,come per le realizzazioni in su-perficie, di costruire una strut-tura attraverso l’assemblaggioprogressivo di materiali (accia-io, cemento armato, ecc.) di cuisono ben note le caratteristichedi resistenza e deformabilità, laquale, sottoposta a ben precisicarichi, troverà il suo futuroequilibrio nella configurazionefinale desiderata, bensì di inter-

Progetto e costruzione di galleriesecondo l’approccio basatosull’analisi delle deformazionicontrollate nelle rocce e nei suoli

venire su un equilibrio preesi-stente e di procedere in qualchemodo a un “disturbo pianificato”dello stesso, in condizioni soloapprossimativamente conosciute.

Un’altra particolarità delleopere in sotterraneo, ben cono-sciuta da progettisti e costrutto-ri ma non sempre sufficiente-mente evidenziata, risiede nelfatto che, assai spesso, la fase incui l’opera è maggiormente sol-lecitata non è quella finale dellagalleria terminata, sottoposta aicarichi esterni presunti all’attodel suo dimensionamento, bensìquella della fase costruttiva in-termedia, assai più delicata inquanto gli effetti del disturbocausato dallo scavo non sono sta-ti ancora completamente conte-nuti con le opere di rivestimen-to definitivo, allorché le tensio-

ni preesistenti nell’ammasso, de-viate dall’apertura del cavo, sicanalizzano al suo contorno (“ef-fetto arco”) creando delle zone disovrasollecitazione in corrispon-denza alle pareti di scavo.

Questa fase di passaggio ap-pare particolarmente delicata sesi pensa che è proprio dalla cor-retta canalizzazione del flusso ditensioni al contorno del cavo chedipende la tenuta e la durabili-tà dell’opera nel tempo. La ca-nalizzazione, compatibilmentecon l’entità degli stati tensiona-li in gioco, in relazione alle ca-ratteristiche di resistenza e de-formabilità del terreno, si puòprodurre (fig. 1):

1) in prossimità del profilo discavo;

2) lontano dal profilo di scavo;3) per niente.

Il primo caso si verifica quan-do il terreno al contorno del cavoben sopporta il flusso delle ten-sioni deviate, rispondendo elasti-camente in termini di resisten-za e di deformabilità.

Il secondo caso si verificaquando il terreno al contorno delcavo, non essendo in grado disopportare il flusso di tensionideviate, risponde anelastica-mente, plasticizzandosi e defor-mandosi proporzionalmente alvolume di terreno coinvolto dalfenomeno di plasticizzazione;quest’ultimo, che provoca peral-tro aumenti di volume del terre-no interessato, propagandosi ra-dialmente, fa deviare la canaliz-zazione delle tensioni verso l’in-terno dell’ammasso, finché lostato tensionale di tipo triassia-le risulta compatibile con le ca-ratteristiche di resistenza delterreno. In questa situazione,l’”effetto arco” si forma lontanodalle pareti di scavo e il terrenoal contorno, ormai alterato, po-trà collaborare alla statica fina-le del cavo solo con la propriaresistenza residua e darà luogoa fenomeni deformativi di note-vole entità.

Il terzo caso si verifica quan-do il terreno al contorno del cavo,non essendo assolutamente ingrado di sopportare il flusso ditensioni deviate, risponde incampo di rottura, producendo ilcrollo della cavità.

Dall’analisi di queste tre si-tuazioni consegue che:

• l’effetto arco per via natu-rale si produce solo nel primocaso;

• nel secondo caso, l’effettoarco per via naturale si producesolamente se il terreno viene“aiutato” con adatti interventi distabilizzazione;

• nel terzo caso l’effetto arco,non potendosi produrre per via

Fig. 1

Prof. Ing. Pietro Lunardi, Studio di progettazione Lunardi, Milano

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naturale, va prodotto per via ar-tificiale, intervenendo adeguata-mente sul terreno stesso primadi scavarlo.

Primo e più importante com-pito del progettista di gallerie èstudiare se e come l’effetto arcopotrà innescarsi all’atto delloscavo del tunnel e poi garantir-ne la formazione calibrando ap-propriatamente, in funzione del-le diverse situazioni tenso-defor-mative, modalità di scavo e in-terventi di stabilizzazione.

A questo scopo egli non puòprescindere dalla conoscenza(fig. 2):

- del mezzo all’interno del qua-le opera;

- dell’azione che compie peroperare lo scavo;

- della reazione attesa a segui-to dello scavo.

Il mezzo, cioé il terreno, che èin pratica il “materiale da costru-zione” della galleria, è un mate-riale assai anomalo se confron-tato con quelli tradizionali del-l’ingegneria civile: discontinuo,disomogeneo, anisotropo. Essopresenta, in superficie, caratte-ristiche assai varie, dipendenti,però, esclusivamente dalla pro-pria natura intrinseca (consi-stenza naturale) che condizionala morfologia della crosta terre-stre, mentre, in profondità, pre-senta caratteristiche mutevolianche in funzione dell’entità de-gli stati tensionali che lo solleci-tano (consistenza acquisita), con-dizionandone il comportamentoallo scavo.

L’azione si esprime nell’avan-zamento del fronte all’internodel mezzo. È quindi un fenome-no prettamente dinamico: pos-siamo immaginare l’avanzamen-to di una galleria come un disco(il fronte) che procede con unacerta velocità V all’interno del-l’ammasso, lasciandosi dietro ilvuoto. Esso produce una pertur-bazione nel mezzo, sia in sensolongitudinale che trasversale,che ne altera gli stati tensionalipreesistenti.

All’interno della zona pertur-bata, il campo di tensioni pree-sistente, che possiamo rappre-sentare come un reticolo di lineedi flusso, viene deviato dalla pre-senza dello scavo (fig. 1) e si con-centra in prossimità di esso pro-ducendo delle sovratensioni.L’entità di queste sovrasollecita-zioni determina, per ogni mez-zo, l’ampiezza della zona pertur-bata, (all’interno della quale ilterreno subisce una caduta dicaratteristiche geomeccanichecon un conseguente aumento divolume) e quindi, in relazione

alla resistenza d’ammasso σgd, ilcomportamento del cavo.

L’ampiezza della zona pertur-bata in prossimità del fronte èdefinita dal raggio d’influenzadel fronte di scavo Rf, che indi-vidua lo spazio sul quale il pro-gettista deve puntare la propriaattenzione ed all’interno del qua-le avviene l’evoluzione da unostato tensionale triassiale a unopiano (zona del fronte di scavo odi transizione); per il correttostudio della galleria egli dovràallora utilizzare metodi di calco-

lo tridimensionali e non solo pia-ni.

La reazione è la risposta defor-mativa del mezzo all’azione del-lo scavo. Essa si genera a montedel fronte, nell’ambito della zonaperturbata in seguito alle sovra-tensioni generate nel mezzo alcontorno del cavo, dipende dalmezzo (consistenza) e dalle mo-dalità con cui viene realizzatol’avanzamento del fronte (azione)e può determinare l’intrusione dimateriale in galleria oltre il pro-filo teorico di scavo. L’intrusione

è sinonimo di instabilità dellepareti di scavo.

Si possono verificare tre situa-zioni fondamentali:

Se in fase di avanzamento del-la galleria, nel passare da unostato di coazione di tipo triassia-le ad uno di tipo piano, il pro-gressivo annullamento dello sta-to di coazione al fronte (σ3 = 0)produce sul terreno a monte sol-lecitazioni in campo elastico, laparete liberata (fronte di scavo)si mantiene stabile con deforma-zioni limitate e assolutamente

Fig. 2

Fig. 3

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trascurabili. In questo caso, lacanalizzazione delle tensioni alcontorno del cavo (“effetto arco”)si produce per via naturale vici-no al profilo di scavo.

Se, viceversa, il progressivoannullamento dello stato di coa-zione al fronte (σ3 = 0) producesul terreno a monte sollecitazio-ni in campo elastoplastico, anchela reazione è importante e laparete liberata del fronte di sca-vo, deformandosi elastoplastica-mente verso l’interno del cavo,dà luogo a una situazione di sta-

bilità a breve termine. S’innesca,cioè, in assenza d’interventi, unfenomeno di plasticizzazioneche, propagandosi longitudinal-mente e radialmente dal contor-no dello scavo, produce lo sposta-mento dell’”effetto arco” più al-l’interno dell’ammasso: solo ope-rando con interventi di stabiliz-zazione adeguati si può control-larne l’allontanamento dal pro-filo teorico di scavo.

Se, infine, il progressivo an-nullamento dello stato di solle-citazione al fronte (σ3 = 0) pro-

duce sul terreno a monte solle-citazioni in campo di rottura, larisposta deformativa è inaccet-tabile e si ha una situazione diinstabilità del terreno a montedel fronte che rende impossibilela formazione dell’”effetto arco”:è il caso dei terreni incoerenti osciolti entro i quali questo, nonriuscendo a formarsi per via na-turale, deve essere prodotto pervia artificiale.

Ne consegue che la formazio-ne dell’effetto arco e la sua posi-zione rispetto alla cavità (dalle

quali sappiamo dipendere la sta-bilità a breve e a lungo terminedella galleria) sono segnalatedalla qualità e dall’entità della“risposta deformativa” del mez-zo all’azione dello scavo.

Partendo da queste considera-zioni, più di venticinque anni fainiziammo ad approfondire i rap-porti esistenti tra modifica dellostato tensionale nel mezzo indot-ta dall’avanzamento di una gal-leria e conseguente risposta de-formativa dello stesso.

2. LA RICERCA SULLA RISPOSTADEFORMATIVA DEL MEZZO

L’analisi della risposta defor-mativa dell’ammasso (effetto) siè sviluppata nel corso di una ri-cerca, di carattere sperimentalee teorico, iniziata più di venti-cinque anni fa e tuttora in cor-so.

In una “prima fase di ricer-ca” ci si è dedicati soprattuttoall’osservazione sistematica delcomportamento tenso-deforma-tivo di svariate gallerie in fasedi realizzazione, con particolareriguardo a quello del fronte discavo e non della sola cavità,come comunemente praticato.Ben presto è risultata evidentela complessità della risposta de-formativa (effetto), oggetto del-lo studio, e la conseguente neces-sità, per poterla definire inte-gralmente, di individuare nuoviriferimenti (fig. 3):

• il nucleo d’avanzamen-to: identificato con il volume diterreno che sta a monte del fron-te di scavo, di forma pressocchécilindrica e dimensioni trasver-sale e longitudinale dell’ordinedel diametro della galleria;

• l’estrusione: identificatacon la componente primaria del-la risposta deformativa del mez-zo all’azione dello scavo, che sisviluppa in gran parte all’inter-no del nucleo d’avanzamento; infunzione della resistenza, delladeformabilità del nucleo e delcampo di tensioni originario cuiè soggetto, si manifesta in corri-spondenza della superficie deli-mitata dal fronte di scavo, insenso longitudinale all’asse del-la galleria, con geometrie di de-formazione più o meno assial-simmetriche (spanciamento delfronte) o di ribaltamento gravi-tativo (rotazione del fronte);

• la preconvergenza dellacavità: identificata con la con-vergenza del profilo teorico discavo a monte del fronte, stret-tamente dipendente dalle carat-teristiche di resistenza e defor-mabilità del nucleo d’avanza-mento in rapporto allo stato ten-

Fig. 4

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sionale originario.Successivamente, nella “se-

conda fase di ricerca”, sullabase di analisi approfondite - so-prattutto in termini cronologici -dei fenomeni d’instabilità osser-vati nel corso dell’esecuzione dialmeno 400 Km di gallerie nei piùsvariati tipi di terreno e nelle piùsvariate situazioni tenso-defor-mative, si è cercato di verificarel’esistenza di collegamenti tra ilcomportamento tenso-deformati-vo del sistema fronte di scavo-nucleo d’avanzamento (estrusio-ne e preconvergenza) e quellodella cavità (convergenza).

Una volta appurato che la ri-sposta deformativa nel suo com-plesso (estrusione, preconver-genza e convergenza) è sistema-ticamente condizionata dalla ri-gidezza del nucleo di terreno alfronte di scavo (che ne è quindila vera causa), in un terzo perio-do di tempo, denominato “terzafase di ricerca”, si è lavoratoper verificare fino a che punto,agendo sulla rigidezza suddetta,si potesse controllare la rispostadeformativa della cavità (conver-genza).

A questo scopo, il comporta-mento tenso-deformativo delnucleo d’avanzamento, correla-to sistematicamente a quellodella cavità, è stato studiato intermini di stabilità e di deforma-zione sia in assenza sia in pre-senza di interventi protettivi edi rinforzo del nucleo.

2.1 LA PRIMA FASE DI RICERCALa prima fase di ricerca (os-

servazione sistematica del com-portamento deformativo del si-stema fronte di scavo-nucleod’avanzamento) è stata condot-ta attraverso l’esecuzione di con-trolli sia strumentali sia visivisul comportamento del nucleo

Fig. 5

d’avanzamento e delle pareti discavo, in termini di stabilità edi deformazione, con particola-re riferimento ai fenomeni di(fig.␣ 3):

a) estrusione del fronte;b) preconvergenza della cavità;c) convergenza della cavità

(riduzione della sezione teoricadi scavo a valle del fronte).

In relazione alle suddette ti-pologie di deformazione, le os-servazioni visive condotte siste-maticamente dall’interno delcavo hanno permesso di associarloro le manifestazioni d’instabi-lità conseguenti, localizzate sulfronte o sul contorno dello stes-so (si parla di instabilità ogni-qualvolta si produce l’intrusio-ne di materiale in galleria oltreil profilo teorico di scavo):

a) distacchi gravitativi, splac-caggi e crollo del fronte, in cor-rispondenza del sistema frontedi scavo-nucleo d’avanzamento;

b) distacchi gravitativi, splac-caggi e collasso della cavità, incorrispondenza del contorno delcavo.

2.2 LA SECONDA FASE DI RICERCAUna volta individuate le tipo-

logie di deformazione e le mani-festazioni d’instabilità che sipossono verificare sul nucleo alfronte e sul contorno del cavo diuna galleria, ci si è chiesti se,attraverso l’osservazione delleprime, fosse possibile in qualchemodo essere orientati sul tipo el’entità che avrebbero assunto leseconde. Si è quindi iniziata laseconda fase di ricerca [verificadell’esistenza di eventuali colle-gamenti tra il comportamentodeformativo del sistema frontedi scavo-nucleo d’avanzamento(—> estrusione e preconvergen-za) e quello della cavità (—> con-vergenza)]. Essa è stata condot-ta attraverso lo studio, l’osser-vazione ed il controllo deglieventi deformativi del fronte edel cavo, con particolare riguar-do alla loro entità e successionecronologica in funzione dei siste-mi, delle fasi e delle cadenze discavo che venivano di volta involta adottati.

Prima di esporre i risultaticonseguiti in questa fase speri-mentale, è indispensabile illu-strare brevemente, con qualcheesempio significativo, le osserva-zioni compiute.

2.2.1 L’ESEMPIO DEL TRAFOROAUTOSTRADALE DEL FREJUS (1975)

Il Traforo autostradale delFrejus ha attraversato per il 95%del suo sviluppo (di 13 Km dilunghezza, con coperture fino a1700 m) una formazione meta-morfica di calcescisti litologica-mente omogenea lungo il trac-ciato.

Il progetto della galleria è sta-to confortato da una campagnageologica e geomeccanica condot-ta dalla galleria ferroviaria adia-cente (realizzata nel 1860) e dagallerie di servizio. Le prove diresistenza e deformabilità ese-guite su campioni di calcescistoindicavano i seguenti parametrigeotecnici medi:

- angolo d’attrito: 35°;- coesione: 30 Kg/cm2 (= 3 MPa);- modulo elastico: 100.000 Kg/cm2

(= 10.000 MPa).Nell’ambito del progetto origi-

nario (1975) non erano state for-mulate previsioni sul comporta-mento deformativo della galle-ria, perché questo non rientravanella prassi abituale dell’epoca.

Tenuto conto di quanto eranoto dell’esperienza fatta daSommeiller durante la realizza-zione del tunnel ferroviario adia-cente, avvenuta circa un secoloprima, fu scelto di avanzare apiena sezione con immediata sta-bilizzazione dell’anello di rocciaal contorno del cavo, per unospessore di circa 4,5 m, median-te bulloni attivi ad ancoraggiopuntuale, integrati da spritz-be-ton. Il rivestimento definitivo dicalcestruzzo, mediamente di 70

Foto 1: Galleria S. Stefano (linea ferroviaria Genova-Ventimiglia,terreno: flysch marnoso-calcareo tettonizzato e laminato, copertura:150 m, diametro: 12 m). Collasso della cavità.

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Fig. 6

Fig. 7

cm di spessore, veniva gettato aseguire e completava l’opera.

Lo studio dei fenomeni defor-mativi ha costituito la parte piùsignificativa della campagna diosservazioni e misure eseguite incorso d’opera per tenere sottocontrollo la risposta dell’ammas-so roccioso agli interventi di sta-bilizzazione operati, in conside-razione del fatto eccezionale checi si trovava per la prima voltaad affrontare una galleria da rea-lizzarsi entro un ammasso omo-geneo (calcescisto) con copertu-re variabili, sottoposta ad uncampo di tensioni crescenti evariabili con la copertura (0 -1.700 m).

Fino a circa 500 m di copertu-ra, rimanendo l’ammasso solle-citato in campo elastico, la gal-leria mostrava un comportamen-to a fronte stabile, con fenomenideformativi trascurabili e limi-tate manifestazioni d’instabilitàsul fronte e sul cavo dovuteesclusivamente a distacchi ditipo gravitativo.

All’aumentare della copertura,e con essa dello stato tensionale,l’ammasso roccioso entrava inelastoplasticità e la galleria as-sumeva un comportamento afronte stabile a breve termine,

con fenomeni di convergenza alcontorno del cavo di ordine deci-metrico (convergenza diametra-le 10-20 cm). La fascia di rocciaarmata collaborava efficacemen-te alla statica della galleria, li-mitando la loro entità ed evitan-do la comparsa delle conseguentimanifestazioni d’instabilità.

L’avanzamento, grazie anchealla buona qualità della roccia,procedeva senza problemi alla

velocità di circa 200 m/mese, fin-ché alla progressiva 5.173 i la-vori non furono temporaneamen-te arrestati per le ferie estive inuna zona d’ammasso omogenea,in corrispondenza ad una coper-tura di circa 1.200 m.

La stazione di misura per le con-vergenze n. 6, messa subito in ope-ra ad un metro dal fronte (progr.5.172), presentava, dopo i 15 gior-ni di arresto, una deformazionemassima di circa 10 cm (fig. 4).

Si trattava indubbiamente dideformazione di solo fluage (a ca-rico costante), essendo il fronte,nel frattempo, rimasto completa-mente fermo. Ripresi gli scavi, laconvergenza diametrale, nellamedesima sezione, s’incrementa-va assai bruscamente su valorimai misurati prima, fino a rag-giungere 60 cm dopo 3 mesi men-tre più avanti, proseguendol’avanzamento, essa riassumevadopo poche decine di metri i va-lori normali (convergenza diame-trale circa 20 cm).

Occorre precisare che, primadell’interruzione dei lavori, lacavità era stata consolidata finoad un metro dal fronte con più di30 bulloni radiali a metro linea-re, ma nessun intervento era sta-to realizzato sul nucleo. Una vol-ta ripreso l’avanzamento, l’inter-vento di stabilizzazione al contor-no del cavo era stato riattivatocon la stessa intensità e la mede-sima cadenza precedenti.

Se ne dedusse che, durante ilfermo del cantiere di avanza-mento, il nucleo di terreno alfronte, non aiutato da interven-ti di consolidamento, aveva avu-to il tempo di estrudere in ela-stoplasticità, innescando un fe-nomeno di detensionamento perfluage dell’ammasso al suo con-torno (preconvergenza) che a sua

volta era stato la causa del vi-stoso incremento delle conver-genze del cavo rispetto ai valorinormali.

2.2.2 L’ESEMPIO DELLA GALLERIAS. STEFANO (1984)

La galleria S. Stefano fa par-te del nuovo tracciato a doppiobinario della linea ferroviariaGenova-Ventimiglia, nel trattocompreso tra S. Lorenzo al Maree Ospedaletti.

L’opera attraversa la forma-zione di flysch ad Helmintoidicaratteristica della Liguria occi-dentale. Si tratta di scisti argil-losi ed argilloso-arenacei con sot-tili banchi di arenarie e calcarimarnosi ripiegati ed intensa-mente fratturati. La componen-te argillo-scistosa è fortementelaminata. Una zona di transizio-ne assai tettonizzata segna ilpassaggio tra il termine H2 ed iltermine H1 più calcareo-marno-so della formazione.

Le prove di resistenza su cam-pione condotte in laboratorio for-nivano valori di angolo d’attritovariabili tra 20° e 24° e coesioneda 15 Kg/cm2 (= 1,5 MPa) a 0.

Anche in questo caso, quandosono iniziati i lavori nel 1982,non erano state fatte previsionisul comportamento deformativodella galleria.

Il progetto originario prevede-va l’avanzamento a piena sezio-ne, con la messa in opera di cen-tine e spritz-beton quale rivesti-mento di prima fase e di un anel-lo di calcestruzzo di grosso spes-sore (fino a 110 cm) quale rive-stimento definitivo.

Durante i lavori di scavo sipotè constatare che, fintanto chesi avanzava in condizioni di ela-sticità, i fenomeni deformatividel fronte e del cavo erano del

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tutto trascurabili e le manifesta-zioni d’instabilità localizzatepressoché assenti (comporta-mento a fronte stabile). Adden-trandosi con gli scavi di avan-zamento in una zona interessa-ta da stati tensionali residui diorigine tettonica e trovandosil’ammasso in condizioni di ela-stoplasticità, le manifestazionideformative cominciavano acausare qualche difficoltà, an-che in relazione alla comparsadi importanti spinte dissimme-triche dovute alla presenza, nelterreno, di masse rigide disper-se nella matrice plastica. Con-temporaneamente, al fronte discavo si osservavano splaccag-gi di materiale, segnale certodella presenza di un movimen-to estrusivo tipico di una situa-zione di fronte stabile a brevetermine, mentre le convergen-ze assumevano valori decime-trici.

Ad un certo momento, essen-dosi la situazione tensionale del-l’ammasso evidentemente evolu-ta fino al campo della rottura,si verificava il crollo dell’interofronte di scavo (situazione difronte instabile), cui seguiva, nelgiro di qualche ora, il collassodella cavità, con convergenzediametrali di oltre 2 m, anchenella parte già stabilizzata concentine e spritz-beton, per unatratta significativa di oltre 30 ma valle del fronte stesso (foto 1).

Si fa osservare, a questo pun-to, che il tipo di terreno attra-versato nelle tre situazioni ten-so-deformative evidenziate eraessenzialmente il medesimo eche l’unico fenomeno di collassodella cavità, con convergenze diordine metrico anche se in unaparte di galleria già stabilizza-ta, si è verificato solo quando èvenuto a mancare il contributodi rigidezza del nucleo al frontedi scavo.

2.2.3 L’ESEMPIO DELLA GALLERIATASSO (1988)

La galleria Tasso fa parte diuna serie di gallerie scavate ver-so la metà degli anni ’80 per larealizzazione della nuova linea“Direttissima” Roma-Firenze.L’area in cui è ubicata l’operaappartiene al bacino lacustre delValdarno Superiore, ed è costi-tuita da sabbie limose e limi sab-biosi intercalati da livelli argil-lo-limosi contenenti lenti e livel-li sabbiosi saturi d’acqua.

Il progetto originario prevede-va di avanzare a mezza sezione,stabilizzando le pareti dello sca-vo con centine e spritz-beton. Lecentine venivano vincolate alpiede con tiranti sub-orizzontalie fondate su micropali o su co-lonne di terreno consolidato me-diante jet-grouting.

Inizialmente lo scavo, in con-dizioni di fronte stabile a breve

termine, non diede luogo ad ap-prezzabili fenomeni deformativi,né del fronte né del cavo.

All’aumentare delle coperturee quindi dello stato tensionaledel mezzo, anche a causa dellescarse caratteristiche geomecca-niche del materiale attraversa-to, si passò in brevissimo tempoda una situazione di fronte sta-bile a breve termine ad una difronte instabile. In seguito alcrollo del fronte, nonostante siavanzasse a mezza sezione, nelcorso di una sola notte si produ-ceva il collasso della cavità conconvergenze diametrali dell’or-dine di 3-4 m e con il coinvolgi-mento di circa 30-40 m di galle-ria già scavata e protetta da cen-tine e spritz-beton (fig. 26).

2.2.4 RISULTATI DELLA SECONDAFASE DI RICERCA

Dallo studio e dall’analisi deicasi illustrati e di altri analoghi,che in questa sede sarebbe trop-po lungo riportare, furono trattidiversi spunti di grande interes-se. In particolare, dall’esperienzadel Frejus appariva chiaro che:

• avanzando in condizioni dielastoplasticità d’ammasso èmolto importante manteneresostenuta e costante la cadenzadi scavo per non lasciare al nu-cleo il tempo di deformarsi: è cosìpossibile evitare l’innesco deifenomeni di estrusione e precon-vergenza, che costituiscono l’an-ticamera dei successivi fenome-ni di convergenza del cavo.

Dalle altre esperienze citate eda altre analoghe emergeva,

Foto 2: Galleria Vasto (linea ferroviaria Ancona-Bari, terreno: ar-gilla limosa, copertura: 135 m, diametro: 12.20 m). L’estrusione delterreno attraverso il fronte durante lo scavo a mezza sezione (confor-memente ai principi del NATM).

Fig. 8

d’altra parte, che:

• il crollo del nucleo ed il col-lasso della cavità non si verifi-cano mai senza che l’uno sia se-guito dall’altro ed, in particola-re, senza che il secondo sia pre-ceduto dal primo.

Dalla seconda fase di ricercasi evidenziava dunque (fig. 5):

1) l’esistenza di un legamestretto tra il fenomeno di estru-sione del nucleo al fronte d’avan-zamento ed i fenomeni di precon-vergenza e convergenza del cavo;

2) l’esistenza di stretti legamitra il crollo del nucleo d’avanza-mento ed il collasso della cavità,anche se già stabilizzata;

3) che i fenomeni deformativirelativi al cavo sono sempre cro-nologicamente conseguenti e di-pendenti da quelli che coinvolgo-no il nucleo di terreno al frontedi scavo.

Si evidenziava altresì la neces-sità di far sì che l’effetto arco, lacui formazione come sappiamocondiziona la stabilità della gal-leria, s’inneschi già a monte delfronte di scavo, per continuaread essere operativo, in una de-terminata sezione, anche dopol’allontanamento del fronte dal-la medesima.

2.3 LA TERZA FASE DI RICERCAI risultati della seconda fase

di ricerca rafforzavano l’impres-sione, già sorta in noi, che la de-formabilità del nucleo d’avanza-mento di una galleria fosse lavera causa di tutto il processodeformativo nel suo complesso(estrusione, preconvergenza e

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convergenza) e che, di conse-guenza, la rigidezza del nucleogiocasse un ruolo determinantesulla stabilità della stessa a bre-ve e a lungo termine.

Se si considera un punto Aubicato sul profilo di calotta del-la galleria ancora da scavare,appare infatti del tutto evidenteche il suo spostamento radiale u(preconvergenza) all’approssi-marsi del fronte di scavo dipen-de dalla resistenza e dalla defor-mabilità del terreno che si trovaall’interno del profilo del futuroscavo.

Se si descrive l’evoluzione delsuo spostamento radiale su undiagramma p-u (dove p è lapressione di contenimento eser-citata radialmente su A) si vedeche (fig. 6) sin quando il fronte èancora lontano (distanza da Asuperiore al raggio d’influenzadel fronte di scavo Rf) la situa-zione tensionale di A rimane sta-zionaria (pressione di conteni-mento radiale p0 = pressione ori-ginaria). All’approssimarsi delfronte di scavo, invece, diminu-endo lo spessore di nucleod’avanzamento compreso tra Ae il fronte, conseguentemente di-minuisce anche la pressione dicontenimento radiale p: A inizie-rà a spostarsi radialmente ver-so l’interno della futura cavità.L’entità dello spostamento di-pende, come abbiamo detto ecome appare del tutto evidente,dalle tensioni in gioco e dalla de-formabilità del nucleo che ne ga-rantisce l’equilibrio e non solodalle caratteristiche geomecca-niche del terreno circostante.

Dopo il passaggio del fronte,d’altra parte, lo spostamento ra-diale di A continuerà ad evolve-re, in campo elastico o in campoelastoplastico, in funzione deglistati tensionali preesistenti, del-le caratteristiche del terrenopresente all’estradosso del tun-nel e della pressione di conteni-mento radiale esercitata dagliinterventi di stabilizzazione ope-rati (prerivestimento, rivesti-mento definitivo) a cui l’equili-brio del punto A viene affidato.

Sul diagramma qualitativo difigura 6 sono riportati, a paritàdi altre condizioni, i percorsi de-formativi subiti da A in caso dinucleo d’avanzamento deforma-bile (curva I) e in caso di nucleod’avanzamento rigido (curva II):ovviamente, sino al passaggiodel fronte, la deformazione ra-diale subita dal punto A al pro-gressivo diminuire della pressio-ne radiale di contenimento p, nelcaso di nucleo rigido, è più ridot-ta della stessa in caso di nucleo

deformabile. Appare altresì pro-babile che anche dopo il passag-gio del fronte, quindi venendomeno il contenimento esercitatodal nucleo d’avanzamento, lecurve I e II permangano netta-mente distinte e che lo sposta-mento del punto A sia funzionedella storia tenso-deformativasubita precedentemente. Ne con-segue che la deformabilità delnucleo d’avanzamento è il fatto-re capace di condizionare la ri-sposta deformativa dell’ammas-so allo scavo e deve essere consi-derato la sua vera causa.

Allora, se la deformabilità delnucleo d’avanzamento è la veracausa della risposta deformati-va dell’ammasso allo scavo, ap-pare logico ipotizzare la possibi-lità di utilizzare il nucleo comenuovo strumento di controllodella stessa, influendo sulla suarigidezza con interventi appro-priati.

Si è allora lavorato sulla pos-sibilità di regolare la rigidezzadel nucleo d’avanzamento perverificare sino a che punto ciò ciavrebbe permesso di controllarela risposta deformativa della ca-vità.

Per fare questo, è stato neces-sario studiare e mettere a puntotecnologie nuove e nuovi tipid’intervento, che permettesserodi agire sul nucleo proteggendo-lo da stati di sovratensione (in-terventi protettivi) e/o conser-vandone o migliorandone le ca-ratteristiche di resistenza e de-formabilità (interventi di rinfor-zo). Questi particolari tipi d’in-tervento si sono detti “interven-ti conservativi” o anche “inter-venti di precontenimento delcavo” per distinguerli da quellidi semplice contenimento cheagiscono solo al contorno dellostesso, a valle del fronte di sca-vo (fig. 7) [1].

Le nuove idee si sono quindisperimentate durante la realiz-zazione di alcune gallerie in con-dizioni tenso-deformative moltodifficili. Vediamo, in particolare,quanto si è sperimentato in uncantiere particolarmente impe-gnativo e, di conseguenza, anchemolto significativo.

2.3.1 LA GALLERIA “VASTO”Il tracciato della galleria, par-

te della nuova linea ferroviariaAncona-Bari, si sviluppa per cir-ca 6.200 m nel sottosuolo del ri-lievo collinare che ospita l’abita-to di Vasto (Pescara).

Dal punto di vista geologico(fig. 8), detto rilievo risulta co-stituito, nella parte basale emediana, da un complesso di ter-

sivamente per sottomurazioneed il getto dell’arco rovescio com-pletava l’intervento.

Dopo il primo importante dis-sesto, si era tentato di riprende-re gli avanzamenti mettendo apunto più soluzioni, che si eranoperò dimostrate del tutto inade-guate, fino al prodursi di un di-sastroso evento franoso a prog.km 38+075, sotto 38 m di coper-tura, che coinvolgendo il fronte(foto 2) e, quindi, una tratta dicirca 40 m a valle dello stesso,produceva nel rivestimento de-finitivo deformazioni di enormeentità (superiori al metro), talida rendere impossibile la prose-cuzione dei lavori.

Lo scrivente, chiamato a que-sto punto per trovare una solu-zione che consentisse di ripren-dere il lavoro interrotto e di pro-seguirlo sino alla completa rea-lizzazione della galleria, affron-tò il non semplice problema im-postando per la restante parte digalleria un nuovo criterio diavanzamento, che fondava i suoiprincipi sulla regimazione deifenomeni deformativi attraver-so l’irrigidimento del nucleo alfronte, quindi sulla produzionedi azioni di precontenimento delcavo.

Fig. 9

reni a prevalente costituzionelimo-argillosa, di colore grigio,stratificati, con sottili intercala-zioni sabbiose e, nella parte som-mitale, da un banco di conglome-rati, più o meno cementati, alquale è sovrapposto un orizzon-te di terreni sabbioso-limosi dicolore bruno giallastro.

La galleria si sviluppa intera-mente entro la formazione argil-losa di base ad eccezione dei trat-ti iniziali presso gli imbocchi.Alla profondità del cavo i terre-ni risultano saturi d’acqua e for-temente sensibili al rimaneggia-mento.

2.3.1.1 BREVE STORIA DELLO SCAVOI lavori, iniziati nel 1984 al-

l’attacco Nord, si erano protrat-ti fino all’aprile 1990 tra ripetu-ti e seri dissesti.

Il progetto originario prevede-va lo scavo a mezza sezione, su-bito protetto con un rivestimen-to provvisorio costituito da spri-tz-beton, centine e rete elettro-saldata. Il rivestimento definiti-vo di calcestruzzo armato, di unmetro di spessore, veniva getta-to a stretto ridosso del fronted’avanzamento, sempre in pre-senza di nucleo. I piedritti dellagalleria venivano gettati succes-

ADECO-RS

10

2.3.1.2 FASE CONOSCITIVAPER LA GALLERIA “VASTO”

Prima di iniziare la nuova pro-gettazione, si è giudicato oppor-tuno procedere ad una più appro-fondita caratterizzazione geotec-nica dei materiali interessatidagli scavi.

Questi, appartenenti alla for-mazione argillosa di base, risul-tarono classificabili come limiargillosi o argille limose da me-diamente ad altamente plasticied impermeabili, marcatamentesuscettibili di rigonfiamento inseguito ad imbibizione.

Le prove di taglio diretto ed incella triassiale, pur fornendo va-lori di coesione ed angolo d’attri-to piuttosto dispersi, evidenzia-vano, comunque, valori di resi-stenza mediamente assai scarsi.

Con alcune prove di “estrusio-ne in cella triassiale” si è quindimodellato in laboratorio l’avan-zamento dello scavo della galle-ria nella situazione tensionalereale del terreno in situ. Esse,integrate con semplici modellimatematici agli elementi finiti,hanno consentito anche la tara-tura dei parametri geomeccani-ci (c, Ø, E) da utilizzare nellesuccessive fasi di diagnosi e diterapia. In particolare, attraver-so la simulazione diretta delleprove di estrusione in cella trias-siale disponibili (integrate daprove triassiali di rottura siaconsolidate, che non consolida-te) si è giunti alla determinazio-ne dei seguenti campi di varia-bilità per i principali parametri

geomeccanici:cu = coesione non drenata =0,15 ÷ 0,4 Mpa (= 1,5÷4 Kg/cm2)c’ = coesione drenata = 0 ÷ 0,2MPa (= 0÷2 Kg/cm2)Øu = angolo d’attritonon drenato = 0°÷10°Ø’ = angolo d’attrito drenato= 18° ÷ 24°E = modulo elastico di Young= 50 ÷ 500 Mpa(= 500÷5.000 Kg/cm2).

2.3.1.3 FASE DI DIAGNOSIPER LA GALLERIA “VASTO”

Sulla base delle conoscenzegeologiche, geotecniche, geomec-caniche e idrogeologiche trattecon metodi teorici e sperimenta-li dalle indagini “in situ” ed inlaboratorio eseguite sull’ammas-so attraversato dalla galleria sisono fatte previsioni sul compor-tamento tenso-deformativo delfronte di scavo e del cavo in as-senza di interventi di stabilizza-zione, finalizzate alla suddivisio-ne del tracciato da realizzare insotterraneo in tratte a comporta-mento deformativo omogeneo,nell’ambito delle tre situazionitenso-deformative fondamentaliche si possono verificare.

Lo studio di diagnosi è quindiproseguito con l’analisi dei mec-canismi di rottura e dei cinema-tismi d’instabilità che si sareb-bero prodotti in seguito all’evol-vere dei fenomeni deformativi,per concludersi con la valutazio-ne dell’estensione delle zone in-stabili e dell’entità dei carichimobilitati, che non rientrano

però nella presente trattazione.

2.3.1.4 VALUTAZIONEDEL COMPORTAMENTOTENSO-DEFORMATIVO

La valutazione del comporta-mento tenso-deformativo lungoil tracciato è stata condotta at-traverso due diverse procedu-re (fig. 28) entrambe valide perbassi, medi ed elevati stati ten-sionali: la prima, più immedia-ta, fa riferimento alla teoria del-le linee caratteristiche (calco-late a seconda della situazionecon metodi analitici o per vianumerica), l’altra, più laboriosa,fa riferimento alle prove diestrusione in cella triassiale, acui si è fatto cenno nel paragra-fo relativo alla fase conoscitiva.

Nel caso della galleria “Vasto”

entrambe le procedure di anali-si hanno segnalato, ad esclusio-ne di brevi tratti vicino agli im-bocchi, un comportamento afronte instabile, evidenziandoimportanti movimenti estrusivie, di conseguenza, anche di pre-convergenza e convergenza (ol-tre 100 cm radiali). Si tratta divalori tali da produrre gravimanifestazioni d’instabilità,quali il crollo del fronte e di con-seguenza il collasso della cavità.

2.3.1.5 FASE DI TERAPIAPER LA GALLERIA “VASTO”

Sulla base delle previsioni fat-te in fase di diagnosi, si è quindioperata la scelta del tipo di azio-ne da esercitare (precontenimen-to o semplice contenimento) edegli interventi necessari, nel-l’ambito della categoria di com-portamento prevista, per ottene-re la completa stabilizzazionedella galleria.

Per quanto riguarda il tunnelancora da scavare (compresol’imbocco Sud attaccato in fra-na), considerate le caratteristi-che dei terreni da attraversareed il risultato dello studio di dia-gnosi, che evidenziava un com-portamento a fronte instabileper tutta la lunghezza del trac-ciato sotterraneo (sollecitazioniin campo di rottura, effetto arconullo, manifestazioni d’instabi-lità tipiche: crollo del fronte, col-lasso della cavità), si sceglieva distabilizzare la galleria con azio-ni di precontenimento del cavo,intervenendo in maniera decisaa monte del fronte d’avanzamen-to per garantire la formazione diun effetto arco artificiale in an-ticipo sul fronte stesso.

In particolare, si decideva diavanzare a piena sezione previaadozione di interventi conserva-tivi misti, che realizzano l’azio-ne di precontenimento agendo

Foto 3: Galleria Vasto: consolidamento del fronte d’avanzamento contubi di vetroresina durante l’avanzamento a piena sezione (confor-memente ai principi dell’approccio A.DE.CO.-RS).

Fig. 10

11

sia al contorno del nucleo (azio-ne protettiva) sia direttamentesullo stesso (azione consolidan-te).

Si sono quindi composte tresezioni tipo (fig. 9), da adottarein alternativa a seconda del gra-do di omogeneità e di consisten-za dei terreni incontrati duran-te i lavori di scavo.

Esse si differenziano esclusi-vamente per il tipo di trattamen-to (preconsolidamento-preconte-nimento) da eseguire in avanza-mento al contorno del cavo, men-tre è comune a tutte e tre il pre-consolidamento del nucleod’avanzamento.

La scelta di tale tipo di inter-vento, al contorno, è strettamen-te connessa alla natura ed allaconsistenza acquisita del terre-no da attraversare.

Nei terreni granulari o pococoesivi, caratterizzati da deboleresistenza al taglio, si è previstol’impiego del sistema jet-grou-ting in orizzontale.

Nei terreni coesivi compatti edomogenei, invece, la tecnologiache risulta più adatta per realiz-zare in avanzamento dei gusciresistenti a protezione del nu-cleo, idonei a garantire la mobi-litazione dell’”effetto arco”, è,come ormai noto, quella del pre-taglio meccanico.

Nei terreni che presentano va-lori di resistenza al taglio e coe-sione non drenata tali da scon-sigliare l’applicazione di tale tec-nologia è possibile ottenere unafascia di terreno consolidato inavanzamento al contorno delcavo e del nucleo mediante inie-

zioni di claquage realizzate at-traverso tubi di vetroresina ap-positamente equipaggiati.

Tutte e tre le sezioni tipo pre-vedono, a completamento, un in-tervento di contenimento di pri-ma fase a valle del fronte di sca-vo costituito da centine e spritz-beton, chiuso con l’arco rovescio,e, successivamente, l’esecuzionedel rivestimento di seconda fasein calcestruzzo.

Individuate le sezioni tipo, siè proceduto al dimensionamen-to dell’intervento di preconsoli-damento del nucleo d’avanza-mento mediante tubi di vetrore-sina, che prevede la determina-zione del numero di tubi da met-tere in opera, della loro lunghez-za e della geometria secondo cuidisporli al fronte.

In analogia al tipo di approc-cio adottato in fase di diagnosiper la previsione del comporta-mento del cavo, il dimensiona-mento del numero di tubi di ve-troresina è stato condotto condue diverse procedure (fig. 10).

La prima procedura si basasull’utilizzo del metodo delle li-nee caratteristiche, tenendo con-to, in maniera semplificata, del-l’effetto del preconsolidamentodel nucleo nel calcolo della lineacaratteristica corrispondente.

La seconda procedura di di-mensionamento dell’interventodi preconsolidamento del nucleosi basa, invece, sull’interpreta-zione delle curve di estrusionericavate dalle prove in cellatriassiale: individuata sulla cur-va la pressione di contenimentominima Pi necessaria per la sta-

bilizzazione del fronte (definitacome pressione di confine tra ilbraccio “elastico” e quello “ela-stoplastico” della curva di estru-sione), si valuta su diagrammisperimentali, del tipo di quelloriportato nella stessa figura, ilnumero di tubi da mettere inopera per garantire, con il coef-ficiente di sicurezza desiderato,la stabilità del fronte.

Entrambi gli approcci (provedi estrusione e linee caratteristi-che) hanno fornito risultati traloro confrontabili, a confermadell’analogia concettuale che lilega.

2.3.1.6 FASE OPERATIVAPER LA GALLERIA “VASTO”

La ripresa dei lavori è avve-nuta, nel 1992, quasi contempo-raneamente sui due imbocchi:all’imbocco Nord, per ripristina-re la tratta di galleria collassa-ta, all’imbocco Sud, per iniziarel’attacco della galleria naturale.La produzione media, lavoran-do 7 giorni/settimana è stata dicirca 50 m/mese di galleria fini-ta (foto 3).

In figura 11 abbiamo messo aconfronto i diagrammi delle pro-duzioni medie mensili con quel-li delle convergenze misurate nelperiodo. È particolarmente si-gnificativa la netta tendenza deivalori delle seconde a seguire inproporzione inversa l’andamen-to delle prime, a conferma delfatto che meno tempo si lasciaal nucleo per deformarsi, più silimita l’innesco dei fenomeni diestrusione e preconvergenza, daiquali dipende il fenomeno di con-

vergenza che risulta, di conse-guenza, più contenuta.

2.3.1.7 FASE DI VERIFICA IN CORSOD’OPERA PER LA GALLERIA “VASTO”

Contemporaneamente alla ri-presa dei lavori di scavo ha avu-to inizio la fase di verifica, cheprevede la lettura della rispostadeformativa del mezzo allo sca-vo ai fini di un’adeguata ottimiz-zazione e taratura degli inter-venti di stabilizzazione della gal-leria.

Oltre alle misure di conver-genza o di pressione normalmen-te condotte, nella galleria “Va-sto” si sono operate anche misu-re sistematiche e contemporaneedi estrusione e convergenza, checostituiscono una novità di par-ticolare interesse anche per i ri-sultati che hanno sino ad oggifornito.

I risultati di queste misurazio-ni sono mostrati sinteticamentenei diagrammi riportati in fig.12, che evidenziano simultanea-mente l’andamento delle estru-sioni e delle convergenze all’in-terno di un ciclo completo di la-vorazioni.

Dall’analisi dei diagrammi, sinota come, a seguito dell’avan-zamento del fronte, al progres-sivo ridursi, cioè, della profondi-tà del nucleo consolidato dai 15m iniziali a soli 5 m (con conse-guente riduzione anche della suarigidezza media) si sviluppi unarisposta deformativa del nucleostesso (estrusione) e della cavi-tà a valle del fronte (convergen-za), progressivamente più spo-stata da un andamento di tipoelastico ad uno di tipo elastopla-stico. In particolare le curve diconvergenza, da un andamentoiniziale tipico di una situazioneche evolve rapidamente verso lastabilità (con valori massimi del-l’ordine di 10 cm, che si produ-cono in seguito a movimentiestrusivi massimi inferiori a 2,5cm), assumono gradatamenteandamenti che evidenziano unacrescente difficoltà dei fenome-ni deformativi ad esaurirsi. Adesempio, quando la lunghezzadel nucleo consolidato scende asoli 5 m, si sviluppano estrusio-ni dell’ordine di 10 cm, che dan-no luogo a convergenze quadru-plicate rispetto a quelle rilevateall’inizio del ciclo di lavorazione.

La lettura combinata di estru-sione e convergenza del cavo di-venta allora, in questa ottica, unsegnale importantissimo per ilprogettista, al fine di stabilire ilmomento in cui è necessario ar-restare l’avanzamento per ese-guire un nuovo consolidamento

Fig. 11

ADECO-RS

12

e ripristinare la profondità dinucleo consolidato minima permantenere l’ammasso, se non incampo elastico, quanto menolontano dal campo di rottura.

2.3.2 RISULTATI DELLA TERZA FASEDI RICERCA

Lo studio e le sperimentazio-ni condotte nella galleria Vastohanno permesso di evidenziare,da un lato, l’esistenza di unostretto legame tra i fenomenideformativi che avvengono al-l’interno del nucleo d’avanza-mento della galleria (estrusioni)e quelli che si sviluppano succes-sivamente al contorno del cavo,a valle del fronte di scavo (con-vergenze), dall’altro lato (fig. 13,risultato della terza fase di ricer-ca), che i fenomeni deformatividel cavo possono essere control-lati e sensibilmente ridotti rego-lando artificialmente la defor-mabilità del nucleo d’avanza-mento, quindi la sua rigidezza(contenimento delle estrusioni).Questo è possibile operandoadatti interventi di stabilizzazio-ne dimensionati e distribuiti trail nucleo al fronte ed il cavo, infunzione delle caratteristiche diresistenza e deformabilità delmezzo in rapporto alla situazio-ne tensionale contingente.

Con riferimento a ciò, nel casodi mezzo sollecitato in campoelastoplastico:

• se lo stato tensionale rap-portato alle caratteristiche delmezzo è ridotto, può darsi siasufficiente agire soltanto sulcavo con interventi radiali evi-tando qualsiasi intervento ditipo longitudinale sul nucleod’avanzamento;

• se lo stato tensionale è ele-vato occorrerà, al contrario, agi-re soprattutto su detto nucleoconsolidandolo con interventilongitudinali, evitando total-mente quelli radiali a valle delfronte.

Nel caso di mezzo sollecitatoin campo di rottura, diventa im-perativo irrigidire il nucleod’avanzamento con azioni di pre-contenimento del cavo, che po-tranno venir integrate con op-portune azioni di contenimentoa valle del fronte di scavo. Al ri-guardo, le esperienze fatte (equelle descritte ai punti prece-denti sono particolarmente si-gnificative) consigliano di:

• lavorare in avanzamentosulla forma e sul volume del nu-cleo, attraverso la realizzazionedi una coronella protettiva diterreno consolidato al contornodello stesso. In particolare, du-rante la realizzazione della gal-

leria Vasto, si è visto come, persuperare tratte particolarmentedifficili, sia stato efficace opera-re in tal senso.

Se ciò non risultasse sufficien-te occorre:

• eseguire ulteriori interventiradiali di consolidamento al con-torno della cavità, dimensionatiper assorbire le convergenze re-sidue che il nucleo, pur irrigidi-to, da solo non è in grado d’im-pedire.

In quest’ultimo caso, il bilan-ciamento degli interventi tra il

nucleo ed il cavo, stabilito in sededi progetto, potrà venir messo apunto in corso d’opera.

2.4 IL NUCLEO D’AVANZAMENTO COMESTRUMENTO DI STABILIZZAZIONE

I risultati conseguenti alla ri-cerca, in estrema sintesi, si pos-sono così riassumere:

• nella “prima fase di ricer-ca” si sono identificate tre tipo-logie fondamentali di deforma-zione (estrusione del fronte, pre-convergenza e convergenza) e lemanifestazioni d’instabilità ad

esse conseguenti (distacchi gra-vitativi, splaccaggi, crollo delfronte e collasso della cavità);

• nella “seconda fase di ricer-ca” si sono ottenute le confermesperimentali che tutti i fenome-ni deformativi (estrusione delfronte, preconvergenza e conver-genza) e le manifestazioni d’in-stabilità visibili dall’interno delcavo e ad essi conseguenti (di-stacchi gravitativi, splaccaggi,crollo del fronte, collasso dellacavità) dipendono direttamenteo indirettamente dalla rigidezza

Fig. 12

Fig. 13

13

del nucleo d’avanzamento;

• nella “terza fase di ricerca”si è sperimentato come sia pos-sibile, utilizzare il nucleo al fron-te come strumento di stabilizza-zione, agendo artificialmentesulla rigidezza del nucleo stesso,per regimare i fenomeni defor-mativi del cavo.

I risultati conseguiti nella ri-cerca, d’altra parte:

• confermano che la rispostadeformativa del mezzo all’azionedello scavo deve essere il riferi-mento principale per il progetti-sta di gallerie, anche perché essa

è indice dell’innesco e della po-sizione dell’effetto arco rispettoal profilo di scavo, ovvero dellacondizione di stabilità raggiun-ta dalla galleria;

• evidenziano che la rispostadeformativa nasce a monte delfronte in corrispondenza al nu-cleo d’avanzamento ed evolve avalle dello stesso lungo la cavitàe che essa non è solo convergen-za, ma è composta da estrusio-ne, preconvergenza e convergen-za. La convergenza è solo l’ulti-mo stadio di un processo tenso-deformativo assai complesso;

• indicano chiaramente l’esi-stenza di un legame diretto trala risposta deformativa del siste-ma fronte di scavo - nucleod’avanzamento e quella dellacavità, nel senso che quest’ulti-ma è diretta conseguenza dellaprima, sottolineando l’importan-za di tenere sotto controllo la ri-sposta deformativa del sistemafronte di scavo-nucleo d’avanza-mento e di non limitarsi al solocontrollo della cavità;

• dimostrano che operandosulla rigidezza del nucleod’avanzamento con interventiprotettivi e di rinforzo è possibi-le controllare la sua deformabi-lità (estrusione, preconvergen-za), controllando di conseguen-za anche la risposta deformati-va della cavità (convergenza).

I risultati della ricerca, in de-finitiva, permettono di guarda-re al nucleo d’avanzamento comea un nuovo strumento di stabi-

lizzazione a breve ed a lungo ter-mine per la cavità: uno strumen-to la cui resistenza e deformabi-lità giocano un ruolo determi-nante, in quanto in grado di con-dizionare l’aspetto che più di tut-to deve preoccupare il progetti-sta di gallerie e cioé: il compor-tamento del cavo all’arrivodel fronte d’avanzamento.

3. IL NUCLEO D’AVANZAMENTOCOME RIFERIMENTO PER UNANORMALIZZAZIONE DELLE GALLERIE

Se il nucleo d’avanzamento èun efficace strumento di stabi-lizzazione a breve ed a lungo ter-mine per la cavità, in grado dicondizionare il comportamentodel cavo all’arrivo del fronte discavo, si può affermare che ilprogettista di gallerie, per esse-re in grado di approntare un pro-getto adeguato a garantire lastabilità a breve ed a lungo ter-mine dell’opera, deve puntaretutta la propria attenzione suifenomeni tenso-deformativi delsistema fronte di scavo - nucleod’avanzamento, ovvero sulle suecondizioni di stabilità.

Ne consegue che il comporta-mento del sistema fronte di sca-vo - nucleo d’avanzamento puòvenir assunto come riferimentoper una normalizzazione dellegallerie, con il vantaggio di es-sere un parametro che conservala propria validità in tutti i tipidi terreno ed in tutte le situazio-ni statiche.

In questa ottica, le tre fonda-mentali situazioni tenso-defor-mative del sistema fronte di sca-vo - nucleo d’avanzamento, giàdescritte nel paragrafo 1 (si con-fronti anche la fig. 13) individua-no anche i tre possibili tipi dicomportamento della cavità (fig.14):

- comportamento a fronte sta-bile (categoria di comportamen-to A);

- comportamento a fronte sta-bile a breve termine (categoria

Fig. 14

Fig. 16

Fig. 15

ADECO-RS

14

di comportamento B);- comportamento a fronte in-

stabile (categoria di comporta-mento C).

Nella situazione a fronte sta-bile la stabilità globale della gal-leria è praticamente garantitaanche in assenza di interventi distabilizzazione. Nelle situazioniB) e C) i risultati della ricercaindicano che per evitare i feno-meni d’instabilità del fronte equindi del cavo, e cercare di ri-portarsi verso una condizione afronte stabile (A), occorre opera-re con interventi di preconteni-mento opportunamente bilancia-ti tra fronte e cavo e d’intensitàadeguata alla situazione tensio-nale reale rapportata alle carat-teristiche di resistenza e defor-mabilità del mezzo.

L’applicazione di questi con-cetti alla pratica progettuale ecostruttiva ha permesso allo scri-vente di cogliere numerosi signi-ficativi successi. In fig. 15 sonoriuniti i diagrammi delle produ-zioni ottenute durante lo scavodi gallerie progettate e realizza-te in Italia e in Francia negli ul-timi dieci anni, nelle più diversesituazioni geologiche e sotto i piùsvariati stati tensionali [2]. Ri-

salta evidente non solo l’elevatavelocità media d’avanzamentomantenuta in relazione al tipo diterreni attraversati, ma soprat-tutto la linearità delle produzio-ni, indice di una costruzione ditipo industriale, avvenuta concadenze regolari e senza intop-pi.

È apparso, a questo punto,necessario e urgente portare alleestreme conseguenze le straor-dinarie cognizioni acquisite esviluppare un approccio proget-tuale e costruttivo più aderentealla realtà, rispetto a quelli co-munemente in uso.

Per raggiungere lo scopo, sulsolco già tracciato dalla ricercae a suo completamento, si è do-vuto attuare un ulteriore pro-gramma di studi, sia sperimen-tali sia teorici, durante i quali ilcomportamento tenso-deforma-tivo del nucleo d’avanzamento,correlato sistematicamente aquello della cavità, è stato stu-diato in termini di stabilità e dideformazione sia in assenza siain presenza di interventi protet-tivi e di rinforzo.

Nell’ambito e a coronamentodi questi studi è nato l’approccioA.DE.CO.-RS (acronimo di Ana-

lisi delle Deformazioni Control-late nelle Rocce e nei Suoli) (fig.16), il quale, osservando:

• che i fenomeni che accom-pagnano lo scavo di una galleriapossono essere ricondotti a unprocesso di causa-effetto (azione-reazione);

• che normalmente in questotipo di processi per essere in gra-do di controllare efficacementel’effetto occorre prima identifica-re completamente la causa;

• che l’identificazione comple-ta della causa non può che pas-sare obbligatoriamente attraver-so un’analisi approfondita dell’ef-fetto;

pone l’attenzione su quest’ul-timo (risposta deformativa del-l’ammasso) sia a monte sia a val-le del fronte di scavo e analizzan-done, dapprima, la genesi e l’evo-luzione attraverso una sperimen-tazione in grande e in piccola sca-la e gli strumenti del calcolo nu-merico focalizzata sul comporta-mento del nucleo d’avanzamen-to, ne identifica la causa nella de-formabilità del terreno a montedel fronte di scavo.

Controllando poi, con adegua-ti strumenti di stabilizzazione, ladeformabilità del terreno a mon-

te del fronte di scavo (nucleod’avanzamento), riscontra che èpossibile controllare in tal modoanche la risposta deformativadell’ammasso, a conferma incon-trovertibile che essa è la veracausa del processo in esame.

4. L’ANALISI DELLA RISPOSTADEFORMATIVA SECONDOL’APPROCCIO L’A.DE.CO.-RS

Il comportamento tenso-defor-mativo del nucleo d’avanzamen-to, correlato sistematicamente aquello della cavità, è stato stu-diato in termini di stabilità e dideformazione sia in assenza siain presenza di interventi protet-tivi e di rinforzo, attraverso unaserie di controlli e misure speri-mentali sia in situ sia in labora-torio.

4.1 LA SPERIMENTAZIONEIN SCALA REALE

Il comportamento del nucleod’avanzamento in termini distabilità, è stato analizzato se-guendo un approccio di tipo os-servazionale, che ha permesso diclassificare più di mille fronti discavo sintetizzandone i dati sa-lienti in schede tipo opportuna-mente predisposte.

Fig. 17 Fig. 18

15

In termini di deformazio-ne, invece, lo stesso è stato stu-diato attraverso la realizzazionesistematica di (fig. 17):

• misure d’estrusione, otte-nute attrezzando il nucleod’avanzamento con un estruso-metro orizzontale (tipo slidingmicrometer) di lunghezza pari a2 ÷ 3 diametri di scavo. Questeforniscono, in termini assoluti, ladeformazione longitudinale su-bita dal terreno costituente ilnucleo d’avanzamento sia in fun-zione del tempo (fase statica, afronte fermo), sia in funzione del-l’avanzamento (fase dinamica)(fig. 18);

• rilievamenti topografici de-gli spostamenti assoluti del fron-te di scavo, a mezzo di mire otti-che, eseguiti in occasione degliarresti dell’avanzamento;

• misure di preconvergenzaa partire dalla superficie, ogni-qualvolta la morfologia del ter-reno e l’entità della copertura ingioco lo consentivano, attraver-so la messa in opera di estensi-metri multibase, inseriti verti-calmente nel terreno in congruoanticipo sul passaggio del fron-te, in corrispondenza alla chia-ve e alle reni della galleria incostruzione [3].

Queste misure, naturalmente,venivano sempre accompagnateda quelle di tipo tradizionale,quali: misure di convergenza emisure di tensione nei rivesti-menti.

La sperimentazione in scalareale ha consentito:

• di confermare, attraverso lacostruzione di speciali diagram-mi estrusione-convergenza (fig.18), l’esistenza, da un lato, diuna stretta correlazione tra l’en-tità dell’estrusione concessa alnucleo d’avanzamento e l’entitàdelle convergenze che si mani-festano dopo il passaggio delfronte e, dall’altro lato, comequeste diminuiscano all’aumen-tare della rigidezza del nucleostesso;

• di stabilire che il nucleod’avanzamento estrude, attra-verso la parete del fronte (super-ficie d’estrusione), secondo tretipologie deformative fondamen-tali (cilindrica, a calotta sferica,combinata), in funzione del ma-teriale in gioco e dello stato ten-sionale che lo sollecita;

• di valutare in termini as-soluti, attraverso semplici calcolivolumetrici riportabili in abachidi semplice impiego, la precon-vergenza, anche quando non èpossibile misurarla direttamen-te dalla superficie (fig. 19);

• di verificare come, all’au-mentare dell’importanza del-l’azione di precontenimento delcavo e alla conseguente riduzio-ne della fascia di terreno plasti-cizzato al contorno della galleria,faccia seguito un proporzionaleminor carico sui rivestimenti diprima fase e definitivi.

4.2 LA SPERIMENTAZIONEIN SCALA RIDOTTA

Poiché le prove di estrusionegià conosciute, realizzate da

Broms e Bennermark nel 1967,studiavano detto fenomeno insoli termini di soglia tensionaled’innesco, per poterlo analizza-re anche in termini di evoluzio-ne deformativa, si sono messe apunto due prove di nuova conce-zione (fig. 20):

• la prova di estrusione incella triassiale;

• la prova di estrusione incentrifuga.

Nella prova di estrusionein cella triassiale il campionedi terreno viene inserito nellacella ricostituendo lo stato ten-sionale originario σo dell’ammas-so. Grazie alla pressione di unfluido, la tensione σo viene ripro-dotta anche all’interno di un par-ticolare volume cilindrico, deno-minato “camera d’estrusione”,ricavato prima della prova all’in-terno del campione e coassiale adesso, che simula la situazionedella galleria nella zona del fron-te di scavo.

Mantenendo lo stato tensiona-le al contorno del campione e ri-ducendo progressivamente lapressione Pi del fluido all’inter-no della camera d’estrusione, sisimula in maniera realistica ilgraduale detensionamento pro-dotto nel mezzo in corrisponden-za di una certa sezione all’avvi-cinarsi del fronte di scavo e siottiene una valutazione dell’en-tità del fenomeno estrusivo alfronte stesso in funzione del tem-po o anche in funzione del decre-mento di pressione interna dicontenimento Pi ottenendo delle

curve simili a quelle riportate infigura 20, immediatamente im-piegabili in fase di progettazio-ne per la valutazione della pres-sione di precontenimento delcavo necessaria per garantireuna certa rigidezza del nucleo eper ottenere, di conseguenza, ilcontrollo delle preconvergenzevoluto.

Dall’analisi dei risultati forni-ti dalle numerose prove di estru-sione condotte in cella triassialesi possono formulare alcune con-siderazioni:

1. date le modeste dimensionidel campione, dette prove sonoriferibili principalmente allamatrice dell’ammasso, che de-v’essere prevalentemente ar-gillosa;

2. eventuali disomogeneità delterreno (scistosità, scagliosità,ecc.) sono compatibili con la pro-va solo se di dimensioni trascu-rabili in rapporto a quelle delcampione;

3. i risultati della prova sonotanto più rapportabili alla scalareale quanto più le caratteristi-che dell’ammasso sono omoge-nee.

Le prove di estrusione incentrifuga sono state messe apunto e realizzate per quei casiin cui l’effetto della gravità in-fluisce in maniera significativasul fenomeno estrusivo. La lorocomplessità e il loro costo eleva-to ne limitano l’impiego a pochispecifici casi.

Il campione di terreno, unavolta inseriti gli opportuni mar-catori e trasduttori di misuradelle deformazioni e delle pres-sioni interstiziali, viene posto inun’apposita scatola provvista diuna parete trasparente. Dopoaver ricavato in esso il vano gal-leria, vi s’inserisce un tubo d’ac-ciaio che rappresenta, in primaapprossimazione, il prerivesti-mento, il rivestimento e l’arcorovescio. La cella così ottenutaviene riempita con un fluido op-portunamente mantenuto inpressione. In centrifuga vienequindi ricreata la pressione geo-statica naturale, raggiunta laquale si opera la riduzione dellapressione in cella per simularel’abbattimento del terreno alfronte.

I risultati che si sono ottenuti(in figura 20 sono riportati quellirelativi a una prova di estrusio-ne in centrifuga eseguita su uncampione di terreno ricostituito)mostrano che l’estrusione delfronte si manifesta rapidamen-te nel transitorio di scarico, convelocità crescente al progrediredel rilassamento del nucleo. Nel-

Fig. 19

ADECO-RS

16

la figura si sono distinte, per cia-scun passo di scarico, la compo-nente istantanea della deforma-zione estrusiva e quella viscosa.Si nota facilmente come que-st’ultima, a fine prova, risultiessere pari al 50% dell’estrusio-ne totale.

La sperimentazione in scalaridotta, attraverso la riproduzio-ne in laboratorio del fenomenoestrusivo del nucleo d’avanza-mento, è stata fondamentale,insieme ai risultati delle misurein scala reale, per la corretta ta-ratura, in termini di parametrigeomeccanici di resistenza e de-formabilità (c, ø, E), dei modellinumerici utilizzati per la parteteorica dello studio sul controllodella risposta deformativa.

4.3 LE ANALISI NUMERICHELa complessità dei meccani-

smi che s’instaurano a monte delfronte di scavo e l’iniziale diffi-coltà a individuare criteri di va-lutazione oggettivi del compor-tamento tenso-deformativo delnucleo d’avanzamento comporta-vano la necessità, al di là dell’in-tuizione e dei riscontri sperimen-tali, di produrre uno sforzo d’in-terpretazione organico e unita-rio dei numerosi aspetti indaga-ti, volto a dar loro loro un inqua-dramento teorico generale capa-ce di superare i limiti delle teo-rie correnti.

A questo scopo, l’analisi dellarisposta deformativa si è prose-guita per via teorica percorren-do tre diversi tipi d’approccio:

• si è cercato, inizialmente,di avvalerci delle teorie di calco-lo analitico esistenti, eventual-mente aggiornandole;

• quindi si è cercato di risol-vere i problemi attraverso l’im-piego di modelli numerici assial-simmetrici, agli elementi finiti oalle differenze finite;

• infine, si è ricorsi alla mo-dellazione numerica tridimen-sionale.

4.3.1 STUDI MEDIANTE APPROCCIANALITICI

Per cominciare, si è cercato dirisolvere il problema attraversol’aggiornamento degli approccidi calcolo analitici esistenti. Inparticolare, si è cercato di intro-durre il concetto di nucleo e diconsolidamento dello stesso inalcune delle formulazioni classi-che utilizzate per il dimensiona-mento delle gallerie: e cioè adesempio in quella del MetodoConvergenza-Contenimento [4]e in quella del Metodo delle Li-nee Caratteristiche [5], l’unica,

questa, in cui il concetto di nu-cleo appare esplicitamente.

Entrambe le formulazionihanno consentito di simulare glieffetti del consolidamento delnucleo e di riprodurre alcunedelle osservazioni sperimentali,in particolare: la conseguente ri-duzione del raggio di plasticiz-zazione Rp e delle deformazioninella zona del fronte di scavo.

I due metodi, però, a causa deldisaccoppiamento nel calcolo trala situazione tenso-deformativaal fronte e quella lontano daesso, non possono conservar me-

moria, nelle formulazioni valideper la zona della cavità lontanodal fronte, degli effetti di quan-to operato a monte di questo; diconseguenza non sono in gradod’interpretare e rappresentarecorrettamente i fenomeni nelloro complesso [6].

Ci si riferisce, in particolare,al decremento del raggio di pla-sticizzazione Rp e alla conse-guente riduzione delle deforma-zioni della cavità (convergenze)e dei carichi agenti sui rivesti-menti di 1° fase e definitivi, fe-nomeni questi che non riescono

a trovare riscontro nei risultatiottenuti attraverso le due formu-lazioni analitiche considerate eche invece sono stati sistemati-camente evidenziati dalle misu-re sperimentali [6].

Si è dovuto concludere, perciò,che questi approcci, pur potendoessere utilmente utilizzati infase di diagnosi per definire ilcomportamento del materialeallo scavo in assenza di interven-ti di precontenimento del cavo,non lo sono altrettanto in fase diterapia, in presenza degli stessi,perché non consentono di preve-

Fig. 2O

17

dere con sufficiente precisionel’entità dei fenomeni deformati-vi della cavità, né di dimensio-nare correttamente gli interven-ti di rivestimento di 1° fase edefinitivi.

Si è deciso pertanto di abban-donare questi tipi di approccio edi percorrere la strada dei mo-delli numerici (elementi finiti odifferenze finite), che consento-no di tener conto con continuitàdi tutta la storia tensionale edeformativa del mezzo al contor-no dello scavo passando dallazona a monte del fronte a quellaa valle.

4.3.2 STUDI MEDIANTE APPROCCINUMERICI SU MODELLIASSIALSIMMETRICI

L’effetto del consolidamentodel nucleo è stato indagato, quin-di, attraverso modelli numericiagli elementi finiti e alle diffe-renze finite. Si è iniziato conl’utilizzazione di modelli di tipoassialsimmetrico, di più facilegestione rispetto a quelli tridi-mensionali.

Benchè in questo modo non sipotessero superare alcune limi-tazioni proprie anche dei succi-tati approcci analitici (cavo per-fettamente circolare, condizionidi stato tensionale dell’ammas-so uniformi al suo contorno, im-possibilità di considerare l’appli-cazione di rivestimenti differen-ti dall’anello chiuso e quindi disimulare le reali fasi costrutti-ve), l’utilizzazione di questi mo-delli ha tuttavia evidenziatocome il consolidamento del nu-

cleo produca una differente di-stribuzione delle tensioni a mon-te del fronte e al contorno delcavo, permettendo finalmente diconfermare anche attraverso ilcalcolo che, conseguentemente, siproduce, sia a monte sia a valledel fronte, una riduzione del-l’estensione della fascia di terre-no a comportamento plastico e ditutti i fenomeni deformativi alcontorno dello scavo (non solodell’estrusione e della preconver-genza, ma anche della conver-genza). Oltre a ciò, le analisi suimodelli numerici assialsimmetri-ci hanno evidenziato che non èpossibile controllare i fenomenidi estrusione e preconvergenzalimitandosi a variare la rigidez-za dei rivestimenti del cavo e/ola loro distanza di posa in operadal fronte. In altre parole, han-no dimostrato che è impossibilerecuperare quanto già avvenutoa monte del fronte con azioni disolo contenimento.

Alla discreta capacità mostra-ta dai modelli numerici assial-simmetrici di simulare gli scaviin galleria in presenza di conso-lidamento del nucleo d’avanza-mento, fornendo risultati, in ter-mini di sollecitazioni e di defor-mazioni nel terreno, in linea conle indicazioni della ricerca speri-mentale, non è corrisposta peròuna pari capacità di previsionedei carichi agenti sui rivestimen-ti di 1° fase e definitivi, che, conquesto tipo di modelli, sarebberopiù o meno equivalenti a quelliche, a parità di altre condizioni,risultano in assenza di interven-

ti di consolidamento sul nucleo.Questo contrasta, come già

detto, con le osservazioni fattedurante la ricerca sperimentale,più volte confermate dalla pra-tica costruttiva, ed è riconduci-bile all’impossibilità di tenerconto, con questo genere di mo-delli, degli effetti gravitativi pro-dotti dal terreno plasticizzato alcontorno dello scavo e delle rea-li fasi costruttive delle opere dirivestimento di 1° fase e defini-tive.

4.3.3 STUDI MEDIANTE APPROCCINUMERICI SU MODELLI 3D

Per superare le contraddizio-ni denunciate dai modelli nume-rici assialsimmetrici, è stato ne-cessario ricorrere alla modella-zione numerica tridimensionale.In questo modo, infatti, è pos-sibile introdurre nel calcolo lareale geometria del cavo, che nonè più semplicemente circolarecome nel caso del Metodo Con-vergenza-Contenimento, delleLinee Caratteristiche e delleanalisi assialsimmetriche (aglielementi finiti o alle differenzefinite). È anche possibile consi-derare condizioni tensionalid’ammasso che non siano di tipoidrostatico e che tengano in de-bito conto i carichi di tipo gravi-tativo, e, inoltre, valutare gli ef-fetti che le varie fasi costruttivehanno sulla statica del cavo, si-mulando la reale geometria del-le strutture di rivestimento, lasequenza della loro messa inopera e la distanza dal frontealla quale vengono realizzate. È

stato quindi possibile studiareattraverso il calcolo, lo vedremoin seguito, come varia la distri-buzione dei movimenti estrusivial fronte di scavo e i conseguen-ti diversi meccanismi di rottura,in funzione della distanza diposa dell’arco rovescio.

I risultati ottenuti attraversoi modelli 3D mostrano, in gene-re, un buon accordo con le osser-vazioni sperimentali, sia perquanto riguarda le deformazio-ni (estrusioni, preconvergenze econvergenze) sia per quanto ri-guarda le sollecitazioni sulleopere di rivestimento del cavo,che in presenza di consolidamen-to del nucleo d’avanzamento ri-sultano più ridotte come eviden-ziato dalla ricerca sperimentale.

4.3.4 RISULTATI DELL’ANALISISPERIMENTALE E TEORICADELLA RISPOSTA DEFORMATIVA

L’analisi sperimentale e teori-ca della risposta deformativaattraverso il nucleo d’avanza-mento, utilizzato come chiave dilettura per l’interpretazione deifenomeni deformativi in galleriaa breve e a lungo termine, hapermesso di individuare con cer-tezza nella resistenza e deforma-bilità del nucleo d’avanzamentola vera causa di tutto il processodeformativo nel suo complesso(estrusione, preconvergenza econvergenza) e ha confermato aldi là di qualsiasi ragionevoledubbio che, operando sulla rigi-dezza del nucleo stesso con in-terventi protettivi e di rinforzo,è possibile controllare la sua de-formabilità (estrusione, precon-vergenza), controllando di conse-guenza anche la risposta defor-mativa della cavità (convergen-za) e l’entità dei carichi agenti alungo termine sul rivestimentodella galleria.

Allora, se la resistenza e ladeformabilità del nucleo d’avan-zamento rappresentano la veracausa della risposta deformati-va dell’ammasso allo scavo, èpossibile guardare al nucleod’avanzamento come nuovo stru-mento di controllo della stessa:uno strumento la cui resistenzae deformabilità giocano un ruo-lo determinante per la stabiliz-zazione a breve e a lungo termi-ne della cavità.

5. IL CONTROLLO DELLA RISPOSTADEFORMATIVA SECONDO L’A.DE.CO.-RS

Sulla base di quanto emersodalla ricerca sperimentale e nu-merica sulla risposta deformati-va dell’ammasso, la vera causadell’intero processo tenso-defor-mativo (estrusione, preconver-

Fig. 21

ADECO-RS

18

genza e convergenza) che s’inne-sca all’atto dello scavo di unagalleria è dunque la deformabi-lità del nucleo d’avanzamento.Ne consegue che per risolverequalsiasi situazione tenso-defor-mativa, ma soprattutto quelledifficili, occorre agire innanzitut-to sul nucleo regolandone oppor-tunamente la rigidezza. In ter-mini di forze ciò significa che oc-corre agire con azioni di precon-tenimento del cavo e non di solocontenimento, intendendo perprecontenimento qualsiasi azio-ne attiva che favorisca la forma-zione di effetti arco nel terreno amonte del fronte di scavo.

Ne consegue che il completocontrollo della risposta deforma-tiva dell’ammasso deve avveni-re necessariamente (fig. 21):

1. a monte del fronte di scavo,regolando la rigidezza del nucleod’avanzamento con adatti inter-venti di precontenimento delcavo;

2. a valle del fronte di scavo,regolando la maniera d’estrude-re del nucleo stesso con interven-ti di contenimento del cavo capa-ci di realizzare un confinamentocontinuo della cavità attivo giàin prossimità del fronte.

5.1 IL CONTROLLO A MONTEDEL FRONTE DI SCAVO

Per regolare la rigidezza delnucleo d’avanzamento e creare iltal modo le giuste premesse peril completo controllo della rispo-sta deformativa dell’ammasso equindi, in definitiva, per la com-pleta stabilizzazione a breve e alungo termine della galleria, l’ap-proccio A.DE.CO.-RS, come ve-dremo, propone numerosi tipid’intervento, ampiamente illu-strati in numerosi articoli, alcu-ni dei quali riportati in bibliogra-fia [7].

Tutti questi tipi d’intervento sipossono inquadrare in due solecategorie (fig. 22):

• interventi protettivi, quan-do producono la canalizzazionedelle tensioni all’esterno del nu-cleo d’avanzamento svolgendoappunto un’azione protettiva,che ne garantisce la conservazio-ne delle caratteristiche naturalidi resistenza e deformabilità (es.:gusci di terreno consolidato me-diante jet-grouting sub-orizzon-tale, gusci di betoncino fibrorin-forzato o calcestruzzo ottenuti inavanzamento mediante pretagliomeccanico);

• interventi di rinforzo, quan-do agiscono direttamente sullaconsistenza del nucleo d’avanza-mento migliorandone le caratte-ristiche naturali di resistenza e

deformabilità attraverso oppor-tune tecniche di consolidamen-to (es.: consolidamento del nu-cleo mediante elementi struttu-rali di vetroresina).

Benché questi tipi d’interven-to per il controllo della rispostadeformativa a monte del frontedi scavo, qualora consideratisingolarmente, abbiano campid’applicazione piuttosto circo-scritti in relazione alla naturadel terreno, nel loro insiemesono in grado di garantire solu-zioni per tutte le possibili situa-

zioni geotecniche. Naturalmente,nulla vieta, in condizioni tenso-deformative estreme, di utilizza-re contemporaneamente più tipid’interventi per ottenere un’azio-ne mista: protettiva e di rinforzo(fig. 23).

5.2 IL CONTROLLO A VALLE DEL FRONTEDI SCAVO

Contrariamente a quanto inse-gnano i criteri d’avanzamentotradizionali, che ignorando lacausa dei fenomeni deformativiin galleria lasciano che il nucleo

si deformi, e poi obbligano a met-tere in opera rivestimenti flessi-bili per incassare i fenomeni de-formativi già innescatisi (prati-ca che in condizioni tenso-defor-mative realmente difficili rego-larmente si rivela inadeguata),l’applicazione dei nuovi concettid’avanzamento in presenza dinucleo rigido, caratteristici del-l’approccio A.DE.CO.-RS, richie-de imprescindibilmente, se nonsi vuol perdere a valle del fronteil vantaggio ottenuto a monterinforzando il nucleo, la messa in

Fig. 22

19

opera di rivestimenti altrettan-to rigidi e di curare con la massi-ma attenzione che la continuitàd’azione dal precontenimento alcontenimento del cavo avvenganella maniera più graduale euniforme possibile, senza maidimenticare che la causa di tut-to il processo tenso-deformativoche si vuol controllare sono laresistenza e la deformabilità delnucleo d’avanzamento.

D’altra parte, analisi numeri-che eseguite con l’ausilio dell’ele-boratore mostrano, con assoluta

evidenza, che:1. il fenomeno estrusivo, quan-

do si produce, avviene attraver-so una superficie ideale, defini-ta superficie di estrusione,che si estende dal punto di con-tatto tra il terreno e l’estremitàanteriore del prerivestimento alpunto di contatto tra lo stessoterreno e l’estremità anterioredell’arco rovescio (fig. 24);

2. l’avvicinamento del gettodell’arco rovescio al fronte di sca-vo, riducendo progressivamentela superficie d’estrusione, produ-

ce una riduzione altrettanto pro-gressiva del fenomeno estrusivo(che tende a svilupparsi più sim-metricamente sull’altezza delfronte) e quindi anche della con-vergenza (fig. 25).

Le stesse mostrano, inoltre,che:

• a parità di distanza dell’ar-co rovescio dal fronte di scavo,le deformazioni calcolate perl’avanzamento a mezza sezionesono paragonabili a quelle otte-nute per l’avanzamento a pienasezione (in altre parole: gettare

l’arco rovescio lontano dal fron-te di scavo è come avanzare asezione parzializzata);

• l’avanzamento a mezza se-zione produce sempre deforma-zioni maggiori di quello a pienasezione.

Ne consegue per il progettistala possibilità (che in condizionitenso-deformative estreme di-venta di fondamentale impor-tanza) di dare continuità al-l’azione di controllo della rispo-sta deformativa, già iniziata amonte del fronte di scavo rego-lando la rigidezza del nucleod’avanzamento, regolandone avalle la maniera di estrudere,attraverso l’esecuzione del gettodelle murette e dell’arco rovescioil più possibile in prossimità delfronte: accettare di gettare que-sti ultimi lontano dal fronte discavo, infatti, significa accetta-re anche una superficie d’estru-sione più estesa, una manierad’estrudere dissimmetrica, unnucleo d’avanzamento di mag-giori dimensioni e più difficil-mente trattabile, tutte condizio-ni che portano all’instabilità del-la galleria (fig. 26).

Erano a questo punto maturii tempi per cominciare a tradur-re i principi teorizzati dal-l’A.DE.CO.-RS in un nuovo ap-proccio di progettazione e costru-zione di gallerie, che superassele limitazioni degli approcci tra-dizionali fornendo la possibilitàdi progettare e costruire galleriein qualsiasi tipo di terreni e disituazioni tenso-deformative,industrializzandone gli scavi,sino a poterne prevedere atten-dibilmente i tempi e i costi di co-struzione come si fa usualmen-te per qualsiasi altra opera d’in-gegneria. Prima di iniziare è sta-to indispensabile stabilire dellelinee guida che servissero da ri-ferimento a chi si accinge a pro-gettare e costruire un’opera insotterraneo.

6. PROPOSTA DEL NUOVO APPROCCIOCi è sembrato ragionevole af-

fermare che per progettare e co-struire in maniera appropriataun’opera in sotterraneo è fonda-mentale:

in fase di progettazione:

• avere una conoscenza ap-profondita del mezzo in cui si do-vrà operare, con particolare ri-guardo alle sue caratteristiche diresistenza e deformabilità;

• studiare preliminarmentequale sarà il comportamento ten-so-deformativo (risposta defor-mativa) di detto mezzo allo sca-vo, in assenza di interventi di

Fig. 23

ADECO-RS

20

stabilizzazione;

• definire il tipo di azioni diprecontenimento o di conteni-mento necessarie per regimaree controllare la risposta defor-mativa del mezzo allo scavo;

• scegliere il tipo di interven-to di stabilizzazione tra quellioggi disponibili grazie alle tec-nologie esistenti, sulla base del-le azioni di precontenimento o dicontenimento che esse sono ingrado di garantire;

• compilare, in funzione delprevisto comportamento delmezzo allo scavo, le sezioni tipodefinendo, oltre agli interventi distabilizzazione più adeguati alcontesto in cui ci si aspetta didover operare, fasi, cadenze etempi di messa in opera deglistessi;

• dimensionare e verificare,attraverso il calcolo matematico,gli interventi prescelti per otte-nere il comportamento del mez-zo allo scavo desiderato ed il ne-cessario coefficiente di sicurez-za dell’opera;

in fase di costruzione:

• verificare, in corso d’opera,che il comportamento del mezzoallo scavo sia corrispondente aquello calcolato per via analiti-ca in fase progettuale. Procede-re quindi alla messa a punto delprogetto bilanciando il peso de-

gli interventi tra il fronte ed ilperimetro del cavo.

Ne è derivato che il progetto ela costruzione di un’opera in sot-terraneo dovevano necessaria-mente articolarsi cronologica-mente attraverso:

1. una fase conoscitiva, rife-rita alla conoscenza geologica,geomeccanica ed idrogeologicadel mezzo;

2. una fase di diagnosi, riferi-ta alla previsione, per via teori-ca, del comportamento del mez-zo in termini di risposta defor-mativa in assenza di interventidi stabilizzazione;

3. una fase di terapia, riferita,prima, alla definizione delle mo-dalità di scavo e stabilizzazionedel mezzo al fine di regimare larisposta deformativa e poi allavalutazione, per via teorica, del-l’efficacia, a questo riguardo,delle soluzioni scelte;

4. una fase di verifica, riferitaal controllo per via sperimenta-le del comportamento reale delmezzo allo scavo in termini di ri-sposta deformativa per la messaa punto dei sistemi di scavo e distabilizzazione.

6.1 CRITERIO D’INQUADRAMENTOSECONDO L’APPROCCIO A.DE.CO.-RS

L’approccio A.DE.CO.-RS sicontraddistingue, da quelli che

sino ad oggi sono stati presi comeriferimento, per diverse impor-tanti caratteristiche. In partico-lare, l’approccio:

1) prevede che il progetto e lacostruzione di una galleria nonsi identifichino più come in pas-sato, ma rappresentino due mo-menti ben distinti e con una fi-sionomia ben definita in termi-ni cronologici e pratici;

2) fa riferimento ad un nuovotipo di inquadramento delle ope-re in sotterraneo, basato su ununico parametro comune a tuttigli scavi: il comportamento ten-so-deformativo del sistema fron-te di scavo-nucleo d’avanzamen-to;

3) fa riferimento alla previsio-ne, al controllo e all’interpreta-zione della risposta deformativadell’ammasso allo scavo, che di-venta l’unico parametro da con-siderare prima per via teorica,come oggetto di previsione e re-gimazione, poi per via sperimen-tale, come oggetto di lettura edinterpretazione per la messa apunto del progetto in corso d’ope-ra.

4) introduce il concetto di pre-contenimento del cavo, che inte-gra il già noto concetto di conte-nimento, consentendo di risolve-re anche le condizioni statichepiù difficili in maniera program-mata, senza ricorrere ad improv-visazioni costruttive;

5) prevede l’impiego dei siste-mi conservativi, per mantenerequanto più possibile inalterate lecaratteristiche geotecniche estrutturali del terreno, intesocome “materiale da costruzione”,quando queste giocano un ruolofondamentale sulla velocità e lacadenza di avanzamento dei la-vori in sotterraneo.

Elemento peculiare dell’ap-proccio è l’introduzione di unnuovo concetto di inquadramen-to delle opere in sotterraneo.

Partendo dall’osservazioneche le deformazioni del mezzodurante lo scavo e quindi la sta-bilità stessa di una galleria sonolegate al comportamento del nu-cleo d’avanzamento, viene as-sunta, come elemento d’inqua-dramento, la stabilità del siste-ma fronte di scavo-nucleod’avanzamento. Così, facendoriferimento ad un parametrounico valido per tutti i tipi di ter-reno (il comportamento tenso-deformativo del nucleo di terre-no a monte del fronte di scavo),l’approccio supera le limitazionidei sistemi sino ad oggi adotta-ti, specie nel caso di terreni discarsa consistenza.

In particolare, come già evi-

denziato in precedenza, risulta-no individuate tre categorie dicomportamento fondamentali(fig. 14):

•Categoria A: comportamen-to a fronte stabile o di tipo lapi-deo;

•Categoria B: comportamen-to a fronte stabile a breve termi-ne o di tipo coesivo;

•Categoria C: comportamen-to a fronte instabile o di tiposciolto.

CATEGORIA ALa Categoria A è identificabi-

le quando lo stato di coazione nelterreno al fronte ed al contornodel cavo non supera le caratteri-stiche di resistenza del mezzo.L’”effetto arco” si forma tantopiù vicino al profilo di scavoquanto più questo è aderente alprofilo teorico.

I fenomeni deformativi evolvo-no in campo elastico, sono imme-diati e di ordine centimetrico.

Il fronte di scavo è globalmen-te stabile. Si possono verificaresolo instabilità locali riconduci-bili al distacco gravitativo diblocchi isolati da uno sfavorevo-le assetto strutturale dell’am-masso roccioso; in questo conte-sto, infatti, giuoca un ruolo fon-damentale l’anisotropia tensio-nale e deformativa del terreno.

L’eventuale presenza di ac-qua, anche in regime idrodina-mico, non influenza la stabilitàdella galleria, a meno che non sitratti di terreni alterabili o chegradienti idraulici troppo inten-si non provochino un dilavamen-to tale da abbattere la resisten-za al taglio lungo i piani di di-scontinuità.

Gli interventi di stabilizzazio-ne sono per lo più volti ad impe-dire la sfioritura del terreno edal mantenimento del profilo discavo.

CATEGORIA BLa Categoria B è identificabi-

le quando lo stato di coazione nelterreno al fronte ed al contornodel cavo, durante l’avanzamen-to, è tale da superare la capaci-tà di resistenza in campo elasti-co del mezzo.

L’”effetto arco” non si realizzaimmediatamente al contorno delcavo, bensì ad una distanza chedipende dalla potenza della fa-scia dove il terreno subisce ilfenomeno della plasticizzazione.

I fenomeni deformativi evolvo-no in campo elastoplastico, sonodifferiti e di ordine decimetrico.

Il fronte alle normali cadenzedi avanzamento è stabile a bre-ve termine e la sua stabilità mi-

Fig. 24

21

gliora o peggiora aumentando odiminuendo la velocità di avan-zamento. Le deformazioni delnucleo sotto forma di estrusioninon condizionano la stabilitàdella galleria, perché il terrenoè ancora in grado di mobilitare

una sufficiente resistenza resi-dua.

I fenomeni d’instabilità, sottoforma di splaccaggi diffusi sulfronte ed al contorno del cavo la-sciano il tempo di operare dopoil passaggio del fronte con inter-

venti di stabilizzazione tradizio-nali di contenimento radiale. Intalune circostanze può essere ne-cessario ricorrere anche ad azio-ni di precontenimento del cavo,bilanciando gli interventi di sta-bilizzazione tra il fronte ed il

cavo in modo da contenere i fe-nomeni deformativi in limiti ac-cettabili.

La presenza di acqua, speciese in regime idrodinamico, ridu-cendo la capacità di resistenzaal taglio del terreno, favoriscel’estendersi della plasticizzazio-ne ed accresce quindi l’importan-za dei fenomeni d’instabilità. E’necessario perciò prevenirla so-prattutto nella zona del fronte,deviandone i percorsi all’esternodel nucleo.

CATEGORIA CLa Categoria C è identificabi-

le quando lo stato di coazione nelterreno supera sensibilmente lacapacità di resistenza dello stes-so anche nella zona del fronted’avanzamento. L’”effetto arco”non può formarsi né al fronte néal contorno del cavo poiché il ter-reno non possiede sufficiente re-sistenza residua. I fenomeni de-formativi sono inaccettabili per-ché evolvono immediatamente incampo di rottura dando luogo agravi manifestazioni d’instabili-tà, quali il crollo del fronte ed ilcollasso della cavità, senza la-sciare il tempo di operare coninterventi di contenimento ra-diale: occorrono interventi di

Fig. 25 Fig. 27

Fig. 26

ADECO-RS

22

preconsolidamento lanciati amonte del fronte di avanzamen-to che sviluppino un’azione diprecontenimento capace di crea-re effetti arco artificiali.

La presenza di acqua in regi-me idrostatico, se non tenuta indebito conto, riducendo ulterior-mente la capacità di resistenzaal taglio del terreno, favoriscel’estendersi della plasticizzazio-ne ed accresce, in definitiva, l’en-tità dei fenomeni deformativi. Lastessa, in regime idrodinamico,si traduce in fenomeni di trasci-namento di materiale e di sifo-namento assolutamente inaccet-tabili. E’ dunque necessario pre-venirla, soprattutto nella zonadel fronte, deviandone i percor-si all’esterno del nucleo.

Sulla base di esperienze ma-turate in più di venticinque annidi progettazione e costruzione diopere in sotterraneo si osservache tutti i casi di opere già realiz-zate ricadono in queste tre cate-gorie di comportamento.

6.2 FASI DI SVILUPPODELL’APPROCCIO A.DE.CO.-RS

Nello sviluppo logico del pro-getto e della costruzione di unagalleria, l’approccio basato sul-l’analisi delle deformazioni con-trollate nelle rocce e nei suolisuggerisce di procedere secondole fasi sintetizzate nello schemariportato in fig. 27.

Un momento della progetta-zione comprendente:

• una fase conoscitiva: du-rante la quale il progettista, inrelazione ai terreni interessatidalla galleria, procede alla carat-terizzazione del mezzo in termi-ni di meccanica delle rocce o deisuoli, indispensabile per compie-re l’analisi degli equilibri natu-rali preesistenti e per poter ope-rare correttamente nella succes-siva fase di diagnosi;

• una fase di diagnosi: duran-te la quale, sulla base degli ele-menti raccolti in fase conosciti-va, il progettista procede ad unasuddivisione della galleria stes-sa in tratte a comportamentodeformativo omogeneo nell’am-bito delle tre categorie di com-portamento A, B, C sopra de-scritte, definendo per ciascunatratta i particolari dell’evoluzio-ne deformativa ed i tipi di cari-chi mobilitati dallo scavo;

• una fase di terapia: duran-te la quale, a seguito delle pre-visioni fatte in fase di diagnosi,il progettista opera la scelta deltipo di azione da esercitare (pre-contenimento o semplicecontenimento) e degli interven-

ti necessari, nell’ambito delle trecategorie di comportamento A,B, C, per ottenere la completastabilizzazione della galleria.Opera quindi la composizionedelle sezioni tipo longitudinali etrasversali dimensionandole everificandone l’efficacia attra-verso gli strumenti del calcolomatematico.

Un momento della costruzio-ne comprendente:

• una fase operativa: duran-te la quale si realizza la messain opera degli strumenti di sta-bilizzazione secondo le previsio-ni progettuali, adattandoli intermini di contenimento e pre-contenimento alla reale rispostadeformativa dell’ammasso e con-trollandoli secondo prestabilitipiani di controllo qualità;

• una fase di verifica: in cui,mediante la lettura e l’interpre-tazione dei fenomeni deformati-vi (che sono la risposta del mez-zo all’azione d’avanzamento),durante la costruzione dell’ope-ra si verifica la correttezza delleprevisioni fatte in fase di diagno-si e di terapia, onde perfeziona-re la messa a punto del progettoattraverso il bilanciamento de-gli strumenti di stabilizzazionetra il fronte e il cavo. La fase diverifica non si esaurisce a galle-ria ultimata, ma va proseguitaper tutto l’arco della sua vita alloscopo di controllarne costante-mente la sicurezza d’esercizio.

Progettare correttamenteun’opera in sotterraneo signi-ficherà allora saper prevedere,sulla base della conoscenza de-

gli equilibri naturali preesisten-ti, il comportamento che il ter-reno avrà durante lo scavo in ter-mini di innesco ed evoluzione deifenomeni deformativi, al fine didefinire conseguentemente, nel-l’ambito delle tre categorie dicomportamento fondamentali, iltipo di azioni da esercitare (pre-contenimento o contenimento) ele tipologie d’intervento atte acontenerli entro limiti accetta-bili, stabilendo tempi e cadenzedi applicazione in funzione del-l’avanzamento e della posizionedel fronte di scavo.

Costruire correttamenteun’opera in sotterraneo signifi-cherà, d’altra parte, operare nelrispetto delle scelte progettuali:in primo luogo interpretandocorrettamente (servendosi delnucleo d’avanzamento comechiave privilegiata di lettura) larisposta deformativa del terrenoall’azione dell’avanzamento edegli interventi di stabilizzazio-ne, in termini di estrusioni e con-vergenze superficiali e profondedel fronte e delle pareti di scavo;in secondo luogo perfezionando(una volta interpretati i risulta-ti delle letture) sfondi, velocità ecadenza di avanzamento, inten-sità, collocazione e tempi di ap-plicazione degli interventi distabilizzazione bilanciandoli op-portunamente tra il fronte ed ilperimetro di scavo.

6.2.1 FASE CONOSCITIVARealizzare uno scavo in sotter-

raneo significa turbare gli equi-libri preesistenti nel mezzo. Pro-

gettare questo scavo riducendoal minimo il disturbo al mezzoin cui si deve operare, quindi ri-ducendo al minimo la rispostadeformativa, presuppone allorala conoscenza preventiva ed ilpiù possibile completa dello sta-to degli equilibri naturali pre-senti nel terreno prima dell’in-tervento.

Da ciò discende la necessitàdi far precedere la progettazio-ne e quindi la costruzione di unagalleria da una fase conoscitivadurante la quale avviene la ca-ratterizzazione del mezzo attra-verso l’acquisizione, in relazioneai terreni interessati dalle ope-re, di elementi litologici, strut-turali, stratigrafici, morfologici,tettonici, idrologici, geotecnici,geomeccanici e tensionali, indi-spensabili al progettista percompiere l’analisi degli equilibrinaturali preesistenti e per poteroperare correttamente nella fasesuccessiva di “diagnosi”.

Lo studio in fase conoscitivaprocede in due tempi successivi.

In un primo tempo viene re-datto un profilo geologico di ten-tativo in asse tracciato, svilup-pato sulla base della Carta Geo-logica d’Italia 1:1.000.000, dellaletteratura esistente e dei rilie-vi aerofotogrammetrici, il tuttointegrato dai rilievi di superficie,comprendenti:

- il rilievo litologico, con indi-viduazione delle principali unità;

- il rilievo geomorfologico, conparticolare riguardo alle condi-zioni di stabilità dei versanti;

- il rilievo geostrutturale, con

Fig. 28

23

l’individuazione delle principalilinee di discontinuità;

- il rilievo idrogeologico, con ladeterminazione del sistema idro-logico principale ed il censimen-to delle sorgenti. Di queste ulti-me è indispensabile misurare laportata seguendone l’evoluzionein corso d’opera per stabilire l’in-fluenza dell’effetto drenante delcavo su essa.

Il profilo di tentativo sarà ac-compagnato da una serie di sche-de litologiche dei litotipi incon-trati in affioramento lungo iltracciato, sulle quali si troveràla sintesi dei rilievi eseguiti.

Qualora lo studio di prima fasedeponga per la fattibilità di uncunicolo pilota, la progettazione(esecutiva) può vantaggiosamen-te avvalersi dei rilievi geologicie geomeccanici in cunicolo [8] [9],nonchè delle prove in situ pro-gettate per la valutazione dellecaratteristiche di resistenza edeformabilità dell’ ammasso roc-cioso.

In un secondo tempo, sullascorta dei risultati dello studiodi prima fase, viene elaborato ilprogetto delle indagini geo-gnostiche, comprendente la de-finizione delle indagini geofisi-che indirette, delle prove in situe dei sondaggi, prevalentemen-te a carotaggio continuo, di ta-ratura, con recupero di campioniindisturbati nella porzione d’am-masso interessata dallo scavo.

Il prelievo dei campioni indi-sturbati è indispensabile che siaeseguito con attrezzature idoneea recare il minor disturbo pos-

sibile all’ammasso.I campioni prelevati verranno

utilizzati per la valutazione del-le proprietà fisico-chimichedell’ammasso roccioso anche inrelazione alla loro evoluzione neltempo, e per la valutazione deiparametri geotecnici e geo-meccanici.

Vengono così determinati:- la curva intrinseca della ma-

trice;- i parametri di deformabilità

della matrice (modulo elasticoiniziale e modulo di deformazio-ne totale valutato per livelli disollecitazione paragonabili aquelli che si instaureranno inseguito alla costruzione del-l’opera).

Ove possibile è importantedeterminare le caratteristiche diresistenza e deformabilità delleeventuali discontinuità struttu-rali, da cui derivare le curve in-trinseche ed i parametri di de-formabilità d’ammasso sullabase di considerazioni di detta-glio.

Lo studio di seconda fase ècompletato dalla stima dello sta-to tensionale naturale, sullabase delle coperture in gioco edelle strutture tettoniche prin-cipali.

A seconda della rilevanza del-l’opera in progetto e della com-plessità delle strutture tettoni-che interessate, può essere assaiopportuno eseguire, ogni voltache è possibile, prove di misura-zione del tensore naturale deglisforzi alla profondità del cavo.

mento deformativo omogeneo,nell’ambito delle tre categorie dicomportamento fondamentali A,B, C (fronte stabile, fronte sta-bile a breve termine, fronte in-stabile). Onde perseguire questoobiettivo egli fa previsioni, pervia teorica, sulla risposta defor-mativa del mezzo all’azione del-lo scavo, con particolare riguar-do ai fenomeni deformativi che,in assenza di interventi di sta-bilizzazione, si manifesterebbe-ro al fronte d’avanzamento e, diconseguenza, nella fascia di ter-reno al contorno del cavo.

L’analisi della risposta defor-mativa del fronte di scavo - nu-cleo d’avanzamento e del cavoviene condotta, in termini di ge-nesi, localizzazione, evoluzioneed entità, facendo ricorso a me-todi sperimentali e strumentimatematici quali le linee carat-teristiche, gli elementi finiti bi-tridimensionali, ecc., che, in fun-zione dell’attendibilità dei para-metri geotecnici e geomeccanicid’ingresso, siano in grado diorientare il progettista nella de-finizione dell’appartenenza del-le diverse tratte di galleria alletre categorie di comportamentoA, B, C già citate.

Tra questi ultimi, il metodo

6.2.2 FASE DI DIAGNOSIIn fase di diagnosi il progetti-

sta, sulla base degli elementiraccolti in fase conoscitiva, pro-cede ad una suddivisione deltracciato in tratte a comporta-

Fig. 29

Fig. 30

ADECO-RS

24

delle linee caratteristiche [5],utilizzabile nella maggior partedelle situazioni correnti, appareparticolarmente utile e sempli-ce da impiegare per perseguirelo scopo (fig. 28).

Tra i metodi sperimentali, incerti tipi di terreno le prove diestrusione in cella triassiale con-sentono di simulare in laborato-rio, su provini indisturbati dimateriale prelevato in situ,l’avanzamento della galleria sot-to le diverse coperture e le mo-difiche tensionali indotte dal-l’azione di scavo nel sistemafronte di scavo - nucleo d’avan-zamento, evidenziandone il tipodi comportamento (fig. 28).

Il risultato dello studio di dia-gnosi alla fine si concretizza nel-la stesura di un profilo longitu-dinale della galleria da proget-tare, sul quale sarà evidenziatala suddivisione in tratte a com-portamento deformativo omoge-neo e le categorie di comporta-mento (A, B, C) ad esse associa-te.

Definita l’appartenenza di cia-scuna tratta ad una delle tre ca-tegorie di comportamento, faparte della fase di diagnosi an-che l’individuazione, nell’ambi-to di ciascuna categoria:

a) delle tipologie di deforma-zione che si svilupperanno alcontorno dello scavo (estrusione,preconvergenza e convergenza);

b) delle manifestazioni d’insta-bilità conseguenti ed attese, qua-li:

- distacchi gravitativi e splac-caggi al fronte, prodotti dal-l’estrusione del nucleo e dallapreconvergenza;

- distacchi gravitativi e splac-caggi al contorno del cavo pro-dotti dalla convergenza del cavo;

- collasso della cavità prodot-to dal crollo del fronte.

c) dei carichi mobilitati dalloscavo secondo modelli a solidi dicarico e ad anelli plasticizzati.

6.2.3 FASE DI TERAPIAIn fase di terapia il progetti-

sta, sulla base delle categorie dicomportamento attribuite infase di diagnosi, opera la sceltadel tipo di azione da esercitare(precontenimento, contenimen-to, o presostegno) per ottenere lacompleta stabilizzazione dellagalleria (regimazione dei feno-meni deformativi).

Da quanto esposto in prece-denza, circa l’importanza dellarigidezza del nucleo d’avanza-mento nei riguardi del compor-

tamento deformativo del frontee del cavo, quindi della stabilitàdi tutta la galleria, risulta chein linea di massima egli:

- potrà limitarsi ad esercitareazioni di semplice contenimen-to, nel caso di gallerie con com-portamento deformativo a fron-te stabile (Categoria A);

- dovrà orientarsi a produrreenergiche azioni di preconteni-mento - oltre, ovviamente, aquelle di contenimento - nel casodi gallerie con comportamentodeformativo a fronte instabile(Categoria C);

- potrà optare tra preconteni-mento del cavo o semplice con-tenimento dello stesso, in funzio-ne della velocità e cadenza diavanzamento che stima di poterrealizzare, nel caso di galleriecon comportamento deformativoa fronte stabile a breve termine(Categoria B).

La scelta del tipo di azione daesercitare, una volta operata,dovrà essere perfezionata in ter-mini di sistemi, cadenze, fasi discavo e soprattutto interventi estrumenti di stabilizzazione, sta-bilendo per questi ultimi come edove dovranno essere messi inopera rispetto alla posizione delfronte d’avanzamento, in funzio-

ne delle tre categorie di compor-tamento A, B, C, affinché produ-cano l’azione desiderata.

Per ottenere nella pratica iltipo di azione prescelto, il proget-tista ha a disposizione una seriedi strumenti con i quali può rea-lizzare tutti i tipi di interventidi stabilizzazione necessari.

Nel ricordare che gli interven-ti di stabilizzazione sono di tipo:

- conservativo, quando il loroeffetto primario è quello di con-tenere il decadimento della ten-sione principale minore;

- migliorativo, quando agisco-no principalmente incrementan-do le caratteristiche di resisten-za al taglio del mezzo;

tra gli strumenti a disposizio-ne del progettista nell’ambitodegli interventi che produco-no azioni di precontenimen-to del cavo [1] (fig. 29), quelliche esercitano un effetto essen-zialmente conservativo sono:

- tegoli di spritz-beton fibrorin-forzato realizzati mediante pre-taglio meccanico lungo il profilodi scavo, con l’impiego dello stes-so pretaglio come cassaforma [3][10];

- preconsolidamento del nu-cleo, per profondità non inferiorial diametro di scavo, mediante

Fig. 31

25

chiodi tubolari di vetroresina fis-sati al terreno con malta ce-mentizia, con intensità da defi-nire in funzione dell’incrementodi resistenza al taglio che si in-tende conferire allo stesso [3][10] [11] [12] [13];

- ombrelli tronco-conici, costi-tuiti dall’accostamento di colon-ne suborizzontali di terreno con-solidato mediante jet-grouting[10] [14].

Esercitano invece un effettoprevalentemente migliorativo:

- ombrelli tronco-conici di ter-reno consolidato mediante inie-zioni tradizionali o per congela-mento;

- ombrelli tronco-conici di dre-naggi, quando si è in presenzadi falda.

Tra gli strumenti a disposizio-ne del progettista nell’ambitodegli interventi che produco-no azioni di contenimentodel cavo, quelli che esercitanoun’azione principalmente con-servativa sono:

- guscio di spritz-beton di 1°fase, capace di produrre, in fun-zione del proprio spessore, unapressione di contenimento alcontorno del cavo;

- scavo meccanizzato a pienasezione mediante scudi a pres-sione, capaci di produrre unapressione di contenimento sulfronte e sul cavo (anello di rive-stimento di conci prefabbricati);

- scavo meccanizzato median-te scudi aperti o lance, che for-niscono un contenimento radia-le al terreno durante le opera-zioni di scavo;

- bullonatura radiale realizza-ta mediante bulloni ad ancorag-gio puntuale che applica, sulparamento della galleria, unapressione di contenimento “atti-va”, di entità predeterminatadalla pretensione con cui vengo-no tesi i bulloni;

- arco rovescio, che crea unastruttura di rivestimento chiu-sa, moltiplicando la capacità delguscio di rivestimento di 1° e di2° fase di sviluppare elevatepressioni di contenimento al con-torno del cavo.

Esercita invece un effetto pre-valentemente migliorativo:

- anello di terreno armato alcontorno della cavità, realizzatomediante bulloni ad aderenzacontinua capaci di incrementa-re la resistenza al taglio del ter-reno trattato producendo un in-nalzamento della curva intrinse-ca della stessa.

Gli strumenti, che non ricado-no in questi due ambiti poichénon producono né azioni di pre-contenimento né di contenimen-

to, si dicono interventi di preso-stegno o di sostegno, a secondache agiscano o non agiscano amonte del fronte d’avanzamen-to. Essi non hanno alcuna in-fluenza sulla formazione del-l’”effetto arco”, non essendo ingrado né di contenere in manie-ra apprezzabile il decadimentodella tensione principale mino-re né di migliorare in manieradeterminante la resistenza altaglio del terreno.

Fanno parte degli interventi dipresostegno, ad esempio, gli in-filaggi, eredi dei marciavanti,che sebbene costituiti da elemen-ti strutturali appoggiati su cen-tine messe in opera dopo lo sca-vo e disposti lungo una genera-trice circolare, non sono in gra-do di produrre effetti arco inavanzamento per carenza di re-ciproca collaborazione in sensotrasversale.

6.2.3.1 COMPOSIZIONEDELLE SEZIONI TIPOLONGITUDINALI E TRASVERSALI

Nei paragrafi precedenti ab-biamo visto che la stabilità delsistema fronte di scavo - nucleod’avanzamento gioca un ruolofondamentale sulla risposta de-formativa dell’ammasso all’aper-tura della cavità in sotterraneoe quindi sulla stabilità stessadella galleria a breve ed a lungotermine. Abbiamo visto ancheche le condizioni di stabilità didetto sistema sono riconducibilia tre categorie di comportamen-to fondamentali, che caratteriz-zano ed inquadrano, quindi, iltipo di galleria da scavare per latratta in esame ed alle quali èdel tutto conseguente riferirsi almomento della scelta degli inter-venti di stabilizzazione cui affi-dare la stabilità e la sicurezzadell’opera.

Tenuto conto di ciò, in figura30, nell’ambito dell’inquadra-mento proposto, è schematica-mente indicato il campo di ap-plicabilità dei singoli strumentidi stabilizzazione a disposizionedel progettista, dal cui assem-blaggio scaturiscono le sezionitipo idonee a garantire la fatti-bilità dello scavo e la stabilità abreve e a lungo termine dellagalleria. In particolare:

- nelle tratte di galleria a fron-te stabile (categoria di compor-tamento: A, sollecitazioni: incampo elastico, manifestazionid’instabilità tipiche: distacchigravitativi), gli interventi di sta-bilizzazione proposti hanno fun-zione soprattutto protettiva esono determinati dall’assettogeostrutturale dell’ammasso e

dall’eventuale presenza di ac-qua.

- nelle tratte di galleria a fron-te stabile a breve termine (cate-goria di comportamento: B, sol-lecitazioni: in campo elastopla-stico, manifestazioni d’instabili-tà tipiche: splaccaggi per estru-sione del nucleo, preconvergen-za e convergenza del cavo) gliinterventi di stabilizzazione de-vono garantire la formazionedell’effetto arco il più possibilevicino al profilo di scavo. Vengo-no quindi proposti strumenticapaci d’impedire il decadimen-to delle caratteristiche di resi-stenza e deformabilità del terre-no con particolare riferimento alsistema fronte di scavo - nucleod’avanzamento, sviluppandoazioni di contenimento o precon-tenimento adeguate a contrasta-re l’insorgere di fenomeni di pla-sticizzazione dell’ammasso, o perlo meno a limitarne l’estensione.

- nelle tratte di galleria a fron-te instabile (categoria di compor-tamento: C, sollecitazioni: incampo di rottura, manifestazio-ni d’instabilità tipiche: crollo delfronte, collasso della cavità) gliinterventi di stabilizzazione de-vono garantire la formazione diun effetto arco artificiale in an-

ticipo sul fronte d’avanzamento.Vengono quindi proposti stru-menti di precontenimento delcavo che, assicurando la stabili-tà del sistema fronte di scavo -nucleo d’avanzamento, impedi-scano di fatto, quando i fenome-ni deformativi sono ancora con-trollabili, alla tensione principa-le minore σ3 di annullarsi.

La tabella di figura 30 puòdunque venir utilizzata dal pro-gettista quale riferimento per ladefinizione delle sezioni tipo sialongitudinali che trasversali.

La figura 31 illustra un esem-pio di composizione di sezionetipo C1.

6.2.3.2 DIMENSIONAMENTO E VERIFICADELLE SEZIONI TIPO.SINTESI DELLA FASE DI TERAPIA

Scelto il tipo di azione da eser-citare, progettati gli interventiper realizzarla e composte le se-zioni tipo, al progettista rimaneancora da dimensionare e veri-ficare queste ultime con i meto-di di calcolo già impiegati in fasedi diagnosi. Di particolare rilie-vo al riguardo è la verifica delcorretto bilanciamento degli in-terventi tra il fronte ed il peri-metro di scavo e la valutazionedel loro grado di efficacia in base

Fig. 32

ADECO-RS

26

all’accettabilità del comporta-mento tenso-deformativo previ-sto per la galleria una volta chesarà stato eseguito l’intervento.Naturalmente il calcolo, a secon-da della particolare situazionetenso-deformativa supposta,può esser condotto ricorrendo asemplici modelli di “convergen-za-contenimento” o, al contrario,a più complessi modelli di estru-sione-contenimento o estrusio-ne-precontenimento.

Oltre alle sezioni tipo princi-pali, potranno essere progetta-te delle sezioni tipo “derivate” daapplicare in concomitanza di si-tuazioni statisticamente proba-bili, la cui ubicazione, però, nonrisulta prevedibile sulla base deidati disponibili. Sezioni tipoprincipali e sezioni tipo “deriva-te” sono comunque definite inmaniera univoca in quanto, perognuna, oltre a descrivere det-tagliatamente la tipologia, l’in-tensità, le fasi e le cadenze dimessa in opera degli interventi,saranno anche individuate conchiarezza le condizioni geologi-co-geomeccaniche e tenso-defor-mative (estrusioni e convergen-ze) entro le quali la sezione deveessere applicata. L’introduzio-ne nel progetto delle sezionitipo “derivate” permetterà dicostruire la galleria in regime

di Assicurazione Qualità, comeprescritto dalle norme ISO 9000[15].

Il risultato dello studio di te-rapia viene quindi sintetizzatosul profilo geomeccanico dellagalleria riportando, per ognitratta a comportamento defor-mativo omogeneo, la sezione tipoda adottare.

6.2.3.3 IL NUCLEO D’AVANZAMENTOSOTTO FALDA

Come noto, l’acqua in regimeidrostatico, e ancor più in regi-me idrodinamico, riduce sensi-bilmente le caratteristiche diresistenza e deformabilità delterreno. È altresì noto che unagalleria che avanza in un acqui-fero ha l’effetto di un grosso dre-no: nell’ammasso s’instaura unmoto di filtrazione verso il fron-te di scavo, che interessa per pri-mo il nucleo d’avanzamento, che,di conseguenza, perde gran par-te della propria rigidezza. Poi-ché, come abbiamo visto, questagioca un ruolo determinante perla stabilità a breve e a lungo ter-mine della galleria, è importan-te che la circolazione dell’acquaall’interno del nucleo sia impe-dita. Questo, in funzione dellediverse situazioni (alimentazio-ne della falda, gradienti in gio-co, ecc.) si può ottenere operan-

do interventi sistematici d’im-permeabilizzazione del nucleo edel contorno del cavo (avanza-mento in regime idrostatico) ointercettando l’acqua tre o quat-tro diametri a monte del frontecon appositi drenaggi disposti aombrello al contorno del futuroscavo (avanzamento in regimeidrodinamico).

In quest’ultimo caso, perchénon sia vanificata l’efficacia deltrattamento in avanzamento conla conseguenza di ottenere effet-ti contrari a quelli desiderati, èquanto mai opportuno porre lamassima attenzione affinché idreni siano eseguiti a perfettaregola d’arte. In particolare, sideve assolutamente evitare d’in-serirli nel terreno a partire dal-la superficie del fronte di scavo.Dovranno invece essere disposti,secondo una tipologia a tronco dicono, a partire dai paramentilaterali della galleria o, al più,dalla linea perimetrale del fron-te, in modo che il nucleo non nesia mai intersecato. In caso con-trario, infatti, l’acqua, da essirichiamata, imbibirebbe il terre-no costituente il nucleo, con ef-fetti disastrosi per la sua stabi-lità e quindi per la stabilità del-l’intera galleria. Per scongiura-re questo pericolo è importantecurare anche che i tubi drenan-

ti siano privi di fessurazioni perun tratto di qualche metro, allaloro estremità più prossima allagalleria.

Analogamente, per la medesi-ma ragione, occorre porre lamassima attenzione alla corret-ta esecuzione dei trattamenti diconsolidamento che prevedonol’inserimento di elementi di rin-forzo nel nucleo d’avanzamentoprevia perforazione. È importan-te eseguire un foro per volta eche esso sia armato immediata-mente e perfettamente sigillatocon malta cementizia. Solo ope-rando in questo modo, esso nondiventerà in breve tempo una viapreferenziale per l’acqua conconseguenze devastanti per ilnucleo d’avanzamento che, imbi-bito e rammollito, non potrebbepiù svolgere efficacemente lapropria azione stabilizzante.

6.2.4 FASE DI VERIFICAUna volta superato il momen-

to della progettazione, l’avvio deilavori di scavo (momento dellacostruzione) coincide con quellodella verifica riguardo all’atten-dibilità delle previsioni fatte infase di diagnosi e di terapia intermini di fenomeni deformativi.

Detta verifica (che assumegrande importanza avendo basa-to l’intera progettazione su que-

Fig. 33 Fig. 34

27

ste previsioni) avviene attraver-so la misura ed il controllo dellareale “risposta” del mezzo al-l’azione dello scavo, risposta chesi manifesta sotto forma di feno-meni deformativi:

- all’interno della cavità, incorrispondenza al fronte ed allepareti di scavo;

- in superficie, in corrispon-denza al tracciato della galleria.

A questo scopo è prevista lapredisposizione di adeguate sta-zioni di misura a monte, in cor-rispondenza ed a valle del fron-te d’avanzamento (fig. 32).

Infatti, quando si prevede chel’avanzamento del fronte avver-rà in condizioni di stabilità abreve termine o di instabilità,ogni volta che la copertura dellagalleria lo permette è particolar-mente interessante e consiglia-bile mettere in opera in una de-terminata sezione, prima dell’ar-rivo del fronte, degli strumentimultibase verticali adatti a mi-surare i fenomeni deformativiradiali che precedono il suo ar-rivo (preconvergenze).

In corrispondenza del sistemafronte di scavo - nucleo d’avan-zamento, poi, con sliding micro-meter longitudinali ed estensi-metri radiali multibase ad asta,si controlleranno rispettivamen-

te le estrusioni e le convergenzesuperficiali e profonde al-l’interno dell’ammasso, a dis-tanze variabili dal profilo di sca-vo, mentre con speciali estensi-metri a nastro si controllerannole convergenze perimetrali a val-le del fronte.

Quanto più queste misuresono eseguite sistematicamentee con accuratezza tanto più ri-sultano affidabili ed utili le in-formazioni che ne derivano alprogettista, il cui compito potràrisultare più o meno complessoa seconda del campo in cui dettifenomeni evolvono.

Infatti, se l’avanzamento sisvolge in un mezzo a compor-tamento di tipo lapideo o sciolto(rispettivamente Categoria A oC), dove i fenomeni deformativiprevisti sono talmente ridotti danon destare preoccupazione (ca-so dei terreni litoidi sotto debolimedie-coperture) o talmente ele-vati da essere inaccettabili e daindurre quindi a scelte di pre-contenimento del cavo (caso deiterreni incoerenti sotto qualsia-si copertura, argillosi e litoidisotto forti coperture) il peso deicontrolli è ridotto, in considera-zione del fatto che i fenomeni de-formativi hanno una evoluzionerapida nel tempo e limitata come

entità. Di conseguenza è moltoalleviato anche il lavoro delprogettista, una volta operate lescelte di regimazione adeguatealla situazione reale.

Diverso è l’impegno del proget-tista e diversa è la cura che deveporre nell’analisi delle deforma-zioni del sistema fronte di sca-vo - nucleo d’avanzamento e del-le convergenze superficiali e pro-fonde del cavo, seguendo la loroevoluzione nel tempo e nello spa-zio, quando l’avanzamento av-viene in un mezzo a comporta-mento di tipo coesivo (CategoriaB).

In questo caso, infatti, doven-do trattare con fenomeni de-formativi lenti, progressivi e dif-feriti, di entità sempre crescen-te, solo dalla continua lettura deicontrolli il progettista può otte-nere le informazioni necessarieda un lato per ottimizzare l’in-tensità ed il bilanciamento tra ilfronte ed il cavo degli interventidi stabilizzazione operati e dal-l’altro lato per calibrare fasi, ca-denze, e sistemi di scavo.

È di conseguenza inutile sot-tolineare quanto sia importantesaper interpretare correttamen-te i risultati forniti dai controlli,perchè è dalla loro corretta in-terpretazione che dipende la

buona messa a punto del proget-to in corso d’opera.

In corso d’opera, i risultati delmonitoraggio guideranno il pro-gettista e la Direzione Lavori neldecidere circa l’opportunità diadottare la sezione tipo princi-pale prevista o eventualmentemodificare alcune quantità dilavorazioni (secondo i criteripreindicati nel progetto) adot-tando una sezione tipo “deriva-ta” (sempre comunque previstadal progetto per la tratta da sca-vare, oppure procedere alla pro-gettazione di una nuova sezionetipo per far fronte a situazioniparticolari non individuate infase conoscitiva e quindi nonpreviste nel progetto.

È importante sottolineare chela fase di verifica non termina agalleria finita, al contrario essadeve proseguire attraversoun’opera di monitoraggio siste-matico, volta a controllare la si-curezza del tunnel per tutto l’ar-co della sua vita d’esercizio.

7. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVESe i fenomeni deformativi che

normalmente si osservano all’in-terno di una galleria in fase diavanzamento si interpretanonell’ambito di un processo cau-sa-effetto, appare del tutto ragio-

Fig. 35

ADECO-RS

28

in tutti i tipi di terreno e in tut-te le situazioni tenso-deforma-tive;

• trascura completamentel’importanza del nucleo d’avan-zamento e la necessità di utiliz-zarlo quale strumento di stabi-lizzazione nelle situazioni tenso-deformative difficili;

• trascura le nuove tecnolo-gie continuando a proporre perla stabilizzazione della galleriasolo interventi di semplice con-tenimento del cavo;

• non prevede un momento

della progettazione nettamenteseparato da quello della costru-zione;

• risolve in maniera inconte-stabilmente ascientifica il pro-blema del controllo in corsod’opera dell’adeguatezza e delcorretto dimensionamento dellesoluzioni progettuali adottate,confrontando ineffabilmente leclassi geomeccaniche con l’enti-tà della risposta deformativa delterreno.

L’errato convincimento chel’effetto dell’azione esercitata sul

nevole identificare la causa nel-l’azione che viene esercitata sulmezzo e l’effetto nella rispostadeformativa di quest’ultimo, adessa conseguente.

Su questo assunto, mentre lacausa, sino a pochi anni fa, nonè stata ritenuta meritevole diattenzione né di analisi appro-fondite, rimanendo così solo ap-parentemente determinata,l’”effetto è stato immediatamen-te identificato nella convergen-za del cavo ed è divenuto ogget-to di studi (fig. 33). Sulla base diquesti studi, sono stati messi apunto teorie, approcci progettua-li e sistemi costruttivi che pre-suppongono di poter risolveretutti i problemi connessi con loscavo delle gallerie attraverso lamessa in gioco di semplici azio-ni di contenimento radiale (fig.34).

Tra le prime, assai note sonola “teoria delle linee caratteristi-che” sviluppata da Lombardi eil “metodo di convergenza-confi-namento” messo a punto da Pa-net [4], [5], che pur avendo evi-denziato per la prima volta l’ef-fetto benefico per la stabilità delcavo della presenza del nucleod’avanzamento non hanno tutta-via fornito suggerimenti efficacisu come mettere a frutto tale ef-fetto né su come affrontare le si-tuazioni d’instabilità del frontedi scavo.

Tra i secondi, gli approccicome il NATM, basati sulle clas-sificazioni geomeccaniche (spes-so utilizzate per scopi diversi daquelli per cui erano state conce-pite), hanno rappresentato in-dubbiamente, al momento dellaloro introduzione, un notevoleprogresso rispetto al passato. Inparticolare, il NATM ebbe prin-cipalmente il merito di:

• considerare per la primavolta il terreno come materialeda costruzione;

• introdurre l’utilizzazione dinuove tecnologie di semplice con-tenimento del cavo ad azio-ne attiva, quali lo spritz-beton ei bulloni;

• sottolineare la necessità dirilevare e interpretare sistema-ticamente la risposta deformati-va dell’ammasso.

Oggi però, avendo considera-to il problema statico delle gal-lerie esclusivamente come pro-blema piano e concentrato tuttal’attenzione sulla sola conver-genza del cavo, denuncia (e conlui tutti gli approcci da esso de-rivati) importanti limiti:

• rappresenta un sistema diclassificazione incompleto e par-ziale, in quanto non applicabile

mezzo durante lo scavo di unagalleria fosse identificabile nel-la sola convergenza del cavo haportato fuori strada per diversedecine di anni intere generazio-ni in Italia ed all’estero, che, sul-la base di quanto proposto dagliapprocci progettuali e costrutti-vi in voga (NATM e metodi deri-vati, che ancor oggi avvaloranodetto convincimento), sono sta-te indotte a concentrarsi sullacura degli effetti (contrasto del-la convergenza del cavo attraver-so azioni di semplice conteni-

Fig. 36

29

mento) invece che delle causedell’instabilità di una galleria[16], [17].

Questo modo di affrontare ilproblema ha permesso di risolve-re con successo lo scavo di galle-rie in situazioni tenso-deformati-ve basse o medie, ha denunciatoperò i propri limiti a fronte diquelle alte ed estreme a causa:

1. dell’incapacità di fare pre-visioni attendibili sul comporta-mento della galleria in fase diavanzamento, quindi assenza diuna fase di diagnosi nelle proce-

dure progettuali;2. dell’improvvisazione delle

misure di contenimento dei feno-meni deformativi, che non si eracapaci di prevedere in anticipo:

3. della mancanza di sistemi distabilizzazione efficaci, capaci dicurare la causa dell’instabilità(deformabilità del nucleo) e nonsolo l’effetto (convergenza);

4. dell’incapacità di valutarepreliminarmente l’opera sotto ilprofilo dei rischi, dei tempi e del-le produzioni prevedibili.

A fronte di questa situazione,

la domanda di gallerie di tutti itipi, comprese quelle in condizio-ni tenso-deformative alte edestreme, in rapida e costante cre-scita, richiedeva di elaborareurgentemente teorie e procedu-re adeguate per controllare larisposta deformativa del mezzoin tutte le possibili situazionitenso-deformative e non solo inquelle non difficili.

Per uscire dalla situazione distallo creatasi si è dovuto ricon-durre il problema alla realtà etrattarlo come problema tridi-

mensionale quale effettivamen-te è, prendendo in considerazio-ne l’intera dinamica evolutivadello scavo e non solo la sua par-te conclusiva.

In questa ottica si è dato ini-zio a una ricerca teorica e speri-mentale dalla quale sono scatu-rite le basi per un nuovo approc-cio, basato sull’Analisi delleDEformazioni COntrollate nelleRocce e nei Suoli, che applicatocon successo negli ultimi 10÷15anni nei più svariati tipi di ter-reno e di condizioni tenso-defor-mative, comprese le più gravo-se, ha permesso di risolvere nu-merose situazioni di scavo par-ticolarmente difficili (vedasi Ta-bella 1) dove l’applicazione deivecchi concetti (NATM e metodiderivati), che in situazioni piùsemplici non mostrano i proprilimiti o difetti intrinseci, avevasortito risultati deludenti, se nonaddirittura catastrofici.

A questo proposito, è certa-mente significativo ricordare,per concludere, quanto verifica-tosi in Francia durante la rea-lizzazione della galleria Tartai-guille per la nuova linea ferro-viaria ad alta velocità “TGVMéditerranèe” Marsiglia-Lione.

L’avanzamento dello scavo di180 m2 di sezione, iniziato nelfebbraio 1996 ed impostato se-condo i criteri del NATM, eraproceduto tra alterne vicendesino alla fine di settembre dellostesso anno. Qui, al momento diattraversare la formazione del-le “argile du Stampien”, forte-mente rigonfianti (75% di mont-morillonite), si cominciarono adincontrare crescenti difficoltà,tali da impedire praticamente laprosecuzione dei lavori. Pergiungere a una soluzione checonsentisse di superare il proble-ma, la SNCF (Societè Nationaldu Chemin de Fer), all’inizio del1997, dava vita a un gruppo distudio (“Comité de pilotage”) co-stituito dagli stessi tecnici delleFerrovie Francesi, dal consorzioG.I.E. TARTAIGUILLE, dai con-sulenti delle Ferrovie COYNEET BELLIER e CETU, dai con-sulenti geotecnici del consorzioTERRASOL e SIMECSOL. Det-to gruppo consultava a sua vol-ta i maggiori esperti di tunnel-ling europei, invitandoli a pre-disporre una soluzione proget-tuale che consentisse d’attraver-sare la tratta argillosa in sicu-rezza e nel rispetto dei tempicontrattuali.

Dopo aver esaminato diverseproposte, nessuna delle quali of-friva le garanzie di sicurezza eaffidabilità richieste dal commit-

Fig. 37

ADECO-RS

30

tente, soprattutto riguardo aitempi esecutivi, la SNCF, confor-tata dagli schemi della propostaitaliana avanzata dallo scriven-te e dai tempi e costi costruttiviipotizzati e garantiti dallo stes-so progettista sulla base di casianaloghi felicemente risolti, nelmarzo 1997 affidava alla ROCK-SOIL S.p.A. la progettazioneesecutiva degli 860 m di galle-ria ancora da realizzare.

L’avanzamento, ripreso nelluglio 1997 in seguito ad una ra-dicale revisione del progetto ba-sata sui principi dell’approccioA.DE.CO.-RS (con avanzamentoa piena sezione, vedasi foto 4), èpotuto finalmente continuaresenza interruzioni e con crescen-te successo man mano che il can-tiere prendeva confidenza conl’impiego delle nuove tecnologie,facendo registrare produzionimedie eccezionalmente regolari(fig. 35) e addirittura superioriagli 1,4 m/giorno garantiti dalprogettista, permettendo di ul-timare la galleria alla fine del lu-glio 1998, dopo un solo anno dal-l’avvio dei lavori col nuovo siste-ma a piena sezione, con un mesee mezzo d’anticipo sul program-ma previsto [18], [19], [20].

Alla luce delle ormai numero-se esperienze maturate negli ul-timi dieci anni [3], [12], [13],[20], [21], [23], [24], [25], si puòtranquillamente affermare chel’approccio di progettazione e co-struzione di gallerie A.DE.CO.-RS consente di conseguire pro-duzioni pressoché lineari indi-pendentemente dai tipi di terre-no attraversati e dalle condizio-ni tenso-deformative contingen-ti. Ne consegue che, mentre unavolta era possibile parlare dimeccanizzazione solo per quellesituazioni trattabili con azioni disemplice contenimento del cavoo del fronte (scudi, frese), oggi èpossibile parlare di meccanizza-zione anche in quelle più com-plesse e difficili, che necessita-no la messa in opera di azioni diprecontenimento: gli scavi ingalleria possono, finalmente, es-sere affrontati in maniera indu-

striale (regolarità dell’avanza-mento, previsione di tempi e co-sti) a prescindere dal tipo di ter-reno e dall’entità delle copertu-re in gioco.

In sintesi e per concludere,l’approccio A.DE.CO.-RS, met-tendo a frutto le conoscenze, imezzi di calcolo e le tecnologiedi attacco più recenti (fig. 36),offre ai progettisti una sempliceguida per inquadrare una galle-ria nell’ambito di tre categorie dicomportamento fondamentali. Aquesto scopo assume come rife-

ne dei fenomeni deformativi e, diconseguenza, sceglie gli inter-venti di stabilizzazione e la se-zione tipo longitudinale e tra-sversale di volta in volta piùadatta alla situazione, utilizzan-do gli strumenti adatti a produr-re le azioni necessarie. Sono di-sponibili sezioni tipo adeguateper ogni genere di terreno e disituazione tenso-deformativa. Diesse sono automaticamente indi-viduati i costi (a metro linearedi galleria) e i tempi esecutivinecessari.

Per questa via:

• si valorizza l’importanzadegli interventi di stabilizzazio-ne come strumenti indispensa-bili per regimare i fenomeni de-formativi, quindi come “elemen-ti strutturali” ai fini della stabi-lità finale del cavo (le galleriesono inquadrate e pagate in pro-porzione a quanto si deformano).A questo proposito, si fa notareche, nel bilancio economico diuna realizzazione in sotterraneo,gli interventi di stabilizzazionee consolidamento del terrenosono rimasti l’unica variabile si-gnificativa a fronte delle vociscavo e rivestimento che, sempredi più, si tende ad assimilarecome costanti per tutti i tipi diterreno (fig. 37);

• si induce il costruttore, sul-la base di un progetto completoed affidabile, a industrializzarele operazioni d’avanzamento inogni tipo di terreno, anche i piùdifficili;

• si evita, con la possibilitàdi pianificare interventi, tempie costi di costruzione, il conten-zioso che normalmente, sino aieri, si instaurava tra Direzionedei Lavori ed Impresa costruttri-ce;

• si evita, assumendo comeriferimento un solo parametrocomune a tutti i tipi di terreno(il comportamento tenso-defor-mativo del sistema fronte di sca-vo-nucleo d’avanzamento) facil-mente ed oggettivamente misu-rabile durante l’avanzamentodei lavori, quella che è la piùevidente pecca dei sistemi di

Foto 4: Galleria Tartaiguille [Francia, TGV Méditerranèe, lineaMarsiglia-Lione, terreno: argilla rigonfiante (75% di montmorillo-nite), copertura: 100 m, diametro: 15 m]. Vista del fronte (180 m2 disezione) consolidato con elementi strutturali di vetroresina.

Foto 5: Galleria Pianoro (linea ferroviaria ad alta velocità Milano-Napoli, tratta Bologna-Firenze, terreno: sabbia limosa cementata,copertura: 150 m, diametro: 13.30 m). Vista del fronte consolidatocon elementi strutturali di vetroresina.

rimento le condizioni di stabilitàdel sistema fronte di scavo-nu-cleo d’avanzamento previste at-traverso un’approfondito studiotenso-deformativo condotto pervia teorica con gli strumenti delcalcolo matematico. Per ciascu-na tratta di galleria a comporta-mento deformativo omogeneo intal modo individuata, il proget-tista decide, in funzione del tipodi comportamento previsto, il ge-nere di azione (precontenimentoo semplice contenimento) da pro-durre per ottenere la regimazio-

L’applicazione dei criteri progettuali e costruttivi enunciati dall’approccio A.DE.CO.-RS ha consentito di cogliere significativi successi anche nel recuperoe salvataggio di gallerie il cui avanzamento con altri criteri aveva dovuto essere abbandonato. Tra queste si rammentano:

GALLERIA ANNO Ø [m] TERRENO COPERTURA PRODUZIONE [m/g]max [m] media ÷ max

“Tasso” (Linea ferroviaria Firenze - Arezzo) 1988 12,20 Limi sabbiosi 50 2,0 ÷ 3,2“Targia” (Linea ferroviaria Bicocca-Siracusa) 1989 12,00 Ialoclastiti 50 2,0 ÷ 3,3“San Vitale” (Linea ferroviaria Caserta - Foggia) 1991 12,50 Argille scagliose 100 1,6 ÷ 2,4“Vasto” (Linea ferroviaria Ancona - Bari) 1993 12,20 Sabbia limosa e limo argilloso 135 1,6 ÷ 2,6“Tartaiguille” (TGV Méditerranèe Marsiglia - Lione) 1996 15 Argilla rigonfiante 110 1,4 ÷ 1,9“Appia Antica” (Grande Raccordo Anulare G.R.A. di Roma) 1999 20,65 Piroclastiti sabbiose-ghiaiose 18 2,3 ÷ 3,3

Tabella 1

31

classificazione precedenti (con-frontare le classi geomeccanichecon la risposta deformativa delterreno) che sino ad oggi ha ali-mentato il suddetto contenziosotra Direzione dei Lavori ed Im-presa costruttrice.

Per queste importanti caratte-ristiche, l’approccio A.DE.CO.-RS ha suscitato notevole interes-se affermandosi rapidamentequale vantaggiosa alternativa aquelli sino ad oggi seguiti. A que-sto proposito è stata particolar-mente significativa la scelta diutilizzarlo per redigere il proget-to base d’appalto e poi la proget-tazione costruttiva della nuovalinea ferroviaria ad alta veloci-tà Bologna-Firenze, che certa-mente costituisce, al momento,il più grande cantiere di tunnel-ling del mondo: 84,5 Km circa digallerie di linea da 140 m2 di se-zione su 90 Km di percorso tota-le, attraverso terreni notoria-mente assai difficili da affronta-re per la loro variabilità e spes-so assai scarsa qualità geomec-canica. Nonostante il difficilecontesto, l’opera da costruire èstata appaltata sulla base di uncontratto “chiavi in mano” in cuiil costruttore, avendo evidente-mente ritenuto sufficientemen-te completo e affidabile il proget-to, ha accettato di farsi carico ditutti i rischi, compreso quellogeologico. Attualmente (aprile2001) lo stato d’avanzamento deilavori, iniziati nel luglio 1996, hasuperato il 58% del totale e loscavo a piena sezione delle gal-lerie sta proseguendo contempo-raneamente su 26 fronti allamedia di circa 1600 m/mese digalleria finita [21], [22], [23],[24].

Se con le esigenze dettate dal-la pianificazione l’arte del pro-gettare e del costruire opere insotterraneo ha perso, forse, unaparte del proprio fascino, sicu-ramente con l’introduzione del-l’approccio A.DE.CO.-RS ha ac-quistato, senza costringere ocondizionare la fantasia delprogettista, in efficenza e fun-zionalità.

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ROCKSOIL SpaPiazza San Marco 120121 MilanoTel. +39 02.65.54.323Fax +39 02.65.97.021www.rocksoil.com

ADECO-RS

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ATP COMPOSITES