STUDIO DI INTERAZIONE TRA SCAVI E GALLERIE TAV ESISTENTI. L’ESEMPIO DEL PROGETTO DEFINITIVO DELLA NUOVA SEDE HERA DI BOLOGNA.

Marco Franceschini (marco.franceschini@teleios-ing.it) TELEIOS srl - Officina di Ingegneria

Federico Fiorelli (federico.fiorelli@teleios-ing.it) TELEIOS srl - Officina di Ingegneria

ABSTRACT. Nell’ambito della riqualificazione urbana dell’area attualmente sede della società HERA, sita in Bologna, si prevede di edificare alcuni nuovi edifici, tra i quali uno ad uso alberghiero ed uno destinato ad uffici. Entrambi gli edifici prevedono due livelli interrati destinati a parcheggio. Il lotto si trova in adiacenza alle infrastrutture ferroviarie, sia quelle di superficie che quelle sotterranee. Trovandosi ad una distanza inferiore ai 30.0 m rispetto a tali infrastrutture è necessario ottenere il nullaosta alla costruzione da parte di Italferr eseguendo specifici studi di interazione tra le opere in progetto e le infrastrutture esistenti. Un sunto di queste analisi, condotte a livello di progettazione definitiva nell’ambito dell’ottenimento del permesso di costruzione, costituisce oggetto del presente articolo.

1. Descrizione dell’opera e finalità

L’opera in progetto occupa un’area approssimativamente rettangolare di dimensioni 120.0 per 60.0 m. Essendo uno dei lati maggiori praticamente parallelo alle gallerie TAV l’interferenza si sviluppa per tutta l’estensione dell’opera (Figura 1).

Dovrà essere eseguito, su tutta l’area di cantiere, uno scavo di poco superiore ai 7.0 m di altezza per la realizzazione dei due livelli interrati. Come opere di sostegno lungo il perimetro sono stati previsti dei diaframmi. I tre lati non direttamente prospicienti le gallerie verranno vincolati per mezzo di ancoraggi provvisionali realizzati con puntoni mentre il quarto lato, oggetto del presente articolo, dovrà essere realizzato con una procedura tale per cui, sia in fase provvisoria che definitiva, il disturbo arrecato ai tunnel per A.V. sia minimizzato. Gli spostamenti e le sollecitazioni aggiuntive sulle infrastrutture ferroviarie devono infatti essere considerate accettabili dai controllori della Società Italferr.

2. Opere di sostegno dello scavo lato gallerie TAV: soluzione progettuale

Al fine di raggiungere l’obiettivo prefissato la soluzione progettuale, di seguito descritta, è stata tarata sulla scorta delle analisi di interazione e risulta così configurata (Figura 1). Diaframmi continui in c.c.a. aventi spessore di 80.0 cm. I diaframmi posti entro una distanza di 30.0 m dal tunnel TAV vengono allungati fino alla profondità

di 22.0 m dal p.c. così da costituire uno scudo (effetto shielding) nei confronti del diffondersi delcampo di tensione/deformazione indotto dagli scavi verso le gallerie (Schweiger, 2011).

Sistema di vincolamento alle azioni orizzontali in fase provvisionale costituito da due puntoni inc.c.a., orizzontali ed ortogonali al diaframma, posti ad una quota tale da consentire la successivaposa degli impalcati dei piani interrati contestualmente alla presenza di questi ritegni. Tali puntonisono contrastati da una coppia di pali trivellati di diametro 800 mm e da un ulteriore elementotubolare metallico inclinato vincolato, alla quota di fondo scavo, alla testa di un altro palo trivellato.I ritegni sono disposti con passo di 2.5 m ed interessano ciascuno un pannello di diaframma. Talesistema di vincolamento provvisionale è coadiuvato, durante la sua realizzazione, dalla presenza diuna berma, la cui configurazione viene variata nel susseguirsi delle fasi di scavo.

L’efficacia del sistema di vincolamento provvisionale è direttamente correlata alla sua posa in opera in modo conforme allo sviluppo delle lavorazioni ipotizzata in sede di progetto. Il calcolo numerico, coerente con le lavorazioni, seguirà la successione operativa di seguito illustrata (vedi anche la Figura 2). 1. Posa in opera diaframma.2. Posa in opera pali necessari al sistema di vincolamento provvisionale dei diaframmi: coppia di pali

per contrasto e pali che fungono da appoggio a terra dei puntoni metallici.3. Scavo fino a quota -1.5 m da p.c., trave di coronamento e posa del puntone superiore.4. Scavo, con berme, fino alla massima profondità di -7.40 m da p.c. Posa puntone orizzontale

inferiore e puntone inclinato.5. Posa in opera della soletta di fondazione su pali.6. Realizzazione strutture in elevazione – configurazione definitiva. Partendo dalla costruzione degli

elementi verticali, realizzazione degli impalcati contro i diaframmi con la successiva eliminazionedei puntoni provvisori.

Figura 1.Posizione delle gallerie TAV rispetto alle opere in progetto.

Figura 2. Successione delle fasi di costruzione dei diaframmi.

3. Caratterizzazione geotecnica

Il lotto di costruzione era già stato oggetto di una campagna di indagini geognostiche precedente che, vista la discutibile qualità, è stata presa in esame solo per una definizione preliminare della successione lito-stratigrafica.

La campagna di indagini integrativa è stata definita con la finalità di determinare i parametri richiesti dal software FEM Plaxis per l’impiego di modelli costitutivi del terreno tipo Hardening Soil e HS Small; sono state eseguite CPTu, sondaggio e prove TX CD e TX CIU.

La successione litostratigrafica ed i parametri meccanici e deformativi dei diversi layer di terreno, impiegati nelle analisi numeriche, sono riportati a seguire (Tabella 1).

Strato Litologia c’ ’

50refE ref

oedErefurE

m 0refG

0.7 da m a m kPa ° MPa MPa MPa - MPa -

1 0 -3.0 Riporto 5 28 10 10 30 0.50 40 3.5E-4 2 -3.0 -9.0 Limi argillosi 10 25 10 6 24 0.50 40 3.5E-4 3 -9.0 -14.0 Limi argillosi 10 25 14 7 28 0.35 40 3.5E-4 4 -14.0 -20.0 Sabbia/ghiaia 1 38 40 40 130 0.50 120 3.5E-4 5 -20.0 Oltre Argilla 15 23 4 4 28 1.00 40 3.5E-4

Tabella 1. Modello geotecnico.

Il modello Hardening Soil è una evoluzione del modello costitutivo di Duncan & Chang (1970) che per primo ha introdotto un legame iperbolico tra deformazione assiale e sforzo deviatorico.

Per tenere conto anche del valore di rigidezza del terreno a piccole deformazioni è stato messo a punto il modello HS Small (Benz, 2007) che si differenzia dal modello HS per due motivi: l’impiego dei parametri Go, modulo di elasticità tangenziale in valore tangente iniziale, e γ0.7, livello di deformazione tangenziale al quale Go è ridotto al 70% del valore iniziale, oltre ad una fase di scarico-ricarico non lineare.

4. Analisi numeriche di interazione

Lo studio di interazione in oggetto è stato condotto impiegando analisi FEM eseguite con software Plaxis 2D 2011. Stante la geometria del problema, uniforme in senso trasversale alla sezione di calcolo, coadiuvati anche dall’analisi di diversi riferimenti bibliografici, si è ritenuto che l’analisi bidimensionale fosse del tutto sufficiente a caratterizzare con accuratezza il problema.

Le fasi di realizzazione dello scavo sono state modellate eseguendo fasi di calcolo in modalità “staged construction”, così da simulare lo sviluppo temporale dei campi di tensione e deformazione nel terreno. Nelle analisi si è tenuto conto di un terreno già influenzato prima dalla ferrovia superficiale e quindi dai tunnel TAV. Queste infrastrutture costituiscono oggetto dello studio di interazione e dunque la loro corretta modellazione è fondamentale.

Sono state condotte sia analisi plastiche di deformazione che analisi di consolidazione. In questo lavoro si riporteranno i risultati relativi alle sole analisi plastiche, allo scopo di focalizzare l’attenzione sul confronto della risposta dei due modelli costitutivi impiegati.

Nelle analisi è stata prestata estrema attenzione alla modellazione delle fasi di scavo delle gallerie TAV. Le gallerie sono state modellate come “bored tunnel” (scavo con TBM), in assenza di ogni tipo di rinforzo o miglioramento del terreno, con le seguenti fasi di costruzione: 1) Scavo tunnel: vengono contemporaneamente disattivati i cluster di terreno interni alla centinatura e

attivato il rivestimento del tunnel. 2) Contrazione tunnel: si applica una contrazione alla sezione trasversale della galleria in maniera tale

che il continuo di terreno circostante sia obbligato a spostarsi, modificando il proprio stato tenso-deformativo. Tale contrazione è stata posta pari allo 0.5 %.

5. Risultati delle analisi numeriche

I risultati mostrati nelle figure successive e commentati si riferiscono alla configurazione finale dell’opera.

Figura 3. Analisi FEM di interazione: a sinistra modello di calcolo, a destra spostamenti del tunnel in fase di massimo scavo.

Figura 4. Analisi FEM di interazione: a sinistra rapporto Go/Gur, a destra sposamenti nel terreno in fase definitiva. Si noti l’effetto shielding operato dai diaframmi.

Oltre alle mappe di distribuzione delle principali grandezze nella sezione di calcolo (Figura 3 e

Figura 4), utili per valutare la risposta macroscopica del modello, è efficace restituire i risultati in grafici che riportano i parametri di interesse in funzione delle diverse fasi di calcolo (Figura 5), ovvero delle fasi di costruzione, così da avere immediato riscontro di possibili passaggi critici.

In tal maniera sono così confrontabili anche le risposte ottenute con i due modelli costitutivi impiegati. In sede progettuale grafici analoghi hanno anche riguardato il confronto tra analisi plastiche di deformazione (lungo termine) ed analisi di consolidazione (breve termine).

Operare una scelta come sopra indicata denota anche, da parte dei progettisti, la disponibilità di fornire ai controllori non un risultato univoco e “chiuso” (che non appartiene alla logica della geotecnica) ma un intervallo all’interno del quale fosse più probabile ritrovare la soluzione della problematica.

Nei grafici, in linea blu sono riportati i risultati relativi al modello costitutivo Hardening Soil, in rosso invece quelli con Hardening Soil Small.

‐10

‐8

‐6

‐4

‐2

0

2

4

6

8

10

Scavo tunnel

Contrazione tunnel

Posa paratia

Posa pali

Scavo 1

Puntone testa

Berm

a1 scavo1

Berm

a1 scavo2

Berm

a1 scavo3

Puntone inclinato

Berm

a2 scavo1

Berm

a2 scavo2

Puntone2

Scavo m

ax

Posa fondazione

Posa P‐1

Posa PT

Config DEF

Spostam

ento orizzontale  [mm]

Fasi di realizzazione

Tunnel TAV 1 (galleria vicina) ‐ Spostamento orizzontale  "quadrante destro" calotta

HS plastic

HSSmall plastic

‐10

‐8

‐6

‐4

‐2

0

2

4

6

8

10

Scavo tunnel

Contrazione tunnel

Posa paratia

Posa pali

Scavo 1

Puntone testa

Berm

a1 scavo1

Berm

a1 scavo2

Berm

a1 scavo3

Puntone inclinato

Berm

a2 scavo1

Berm

a2 scavo2

Puntone2

Scavo m

ax

Posa fondazione

Posa P‐1

Posa PT

Config DEF

Spostam

ento verticale  [mm]

Fasi di realizzazione

Tunnel TAV 1 (galleria vicina) ‐ Spostamento verticale "quadrante superiore" calotta

HS plastic

HSSmall plastic

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Scavo tunnel

Contrazione tunnel

Posa paratia

Posa pali

Scavo 1

Puntone testa

Berm

a1 scavo1

Berm

a1 scavo2

Berm

a1 scavo3

Puntone inclinato

Berm

a2 scavo1

Berm

a2 scavo2

Puntone2

Scavo m

ax

Posa fondazione

Posa P‐1

Posa PT

Config DEF

Momento flettente m

assimo  [kN

m/m

]

Fasi di realizzazione

Tunnel TAV 1 (galleria vicina) ‐Momento flettente massimo

HS plastic

HSSmall plastic

‐10

‐8

‐6

‐4

‐2

0

2

4

6

8

10

Scavo tunnel

Contrazione tunnel

Posa paratia

Posa pali

Scavo 1

Puntone testa

Berm

a1 scavo1

Berm

a1 scavo2

Berm

a1 scavo3

Puntone inclinato

Berm

a2 scavo1

Berm

a2 scavo2

Puntone2

Scavo m

ax

Posa fondazione

Posa P‐1

Posa PT

Config DEF

Spostam

ento verticale  [mm]

Fasi di realizzazione

Cedimento verticale in superficie in corrispondenza tunnel TAV

HS plastic

HSSmall plastic

Figura 5. Grafici di confronto di alcuni risultati delle analisi di interazione.

6. Conclusioni

Il presente articolo ha riguardato un’analisi di interazione tra due tunnel TAV esistenti e una struttura in progetto con opere interrate posta a distanza inferiore di 30.0 m dalle gallerie stesse.

È stato concepito uno studio nel quale è stata attribuita pari rilevanza alla completezza e all’accuratezza delle analisi ed alla determinazione delle fasi operative di costruzione. Il tutto ha perseguito lo scopo di minimizzare il disturbo alle gallerie TAV in fase realizzativa e definitiva.

Dati questi obiettivi, e scelti preliminarmente gli strumenti di calcolo, è stata condotta una campagna geotecnica finalizzata ad ottenere i parametri per la definizione dei modelli costitutivi utilizzati nella analisi.

Tutte le elaborazioni sono state condotte con software geotecnico FEM Plaxis 2D, eseguendo analisi plastiche e analisi di consolidazione. Sono stati impiegati due modelli costitutivi: Hardening Soil e HS Small.

I principali riscontri di carattere numerico, riferiti al tunnel più vicino alle opere di sostegno, sono: Spostamento orizzontale < 4.0 mm Spostamento verticale < 8.0 mm Incremento di momento sulla calotta compreso tra 55.0 e 80.0 kNm Incremento di pressione sulla calotta < 20.0 kPa Cedimento verticale in superficie sulla verticale del tunnel < 8.0 mm

I risultati sopra riportati sono in linea con quelli presenti nei riferimenti bibliografici relativi a lavori simili; tali valori sono stati ritenuti del tutto ammissibili per il normale esercizio dei tunnel e validati anche dai vari Enti gestori delle infrastrutture.

Si può notare come, per sua stessa definizione, il modello HS Small fornisca valori minori degli stati deformativi; ciò è ben discusso in alcuni importanti articoli (Benz, 2007; Schweiger, 2006).

La filosofia che si è voluto seguire è stata quella di impiegare diversi tipi di analisi e di modelli costitutivi, in maniera tale da riferirsi a range di variazione dei risultati piuttosto che a valori deterministici. Si ritiene che questo sia un approccio corretto nei progetti di ingegneria geotecnica che, diversamente da altri ambiti dell’ingegneria civile, si trova a far fronte a più rilevanti incertezze.

I tecnici Italferr della sede di Roma, adibiti al controllo di conformità del progetto e della analisi eseguita, hanno dato il nullaosta alla realizzazione dell’opera senza avere nulla da eccepire al progetto presentato.

7. Bibliografia Appiah R. (2011). New building plans on the surface above the existing underground Willemspoortunnel in

Rotterdam. Plaxis bulletin, Autumn issue 2011. Benz T. (2007). Small Strain Stiffness of Soil and its Numerical Consequences. Universitat Stuttgart. Benz T. (2010). Numerical methods in geotechnical engineering. CRC Press. Fasihnikoutalab M.H., Huat B.B.K., Asadi A., Daneshmand S. (2012). Numerical Stability Analysis of Tunnel by

PLAXIS. EJGE, vol. 17, 2012. Geotechnet – European Geotechnical Thematic Network – Innovative Design Tools in Geotechnical - Final Report Geotechnet – European Geotechnical Thematic Network – Innovative Design Tools in Geotechnical - Final Report

– background document Hu Z.F., Yue Z.Q., Zhou J., Tham L.G. (2003). Design and construction of a deep excavation in soft soils adjacent

to the Shanghai Metro tunnels. Canadian Geotechnical Journal 40: 933–948. Karki R. (2006). Effects of deep excavations on circular tunnels in fine-grained soils. Thesys. University of

Saskatchewan, Canada. Moller S. (2006). Tunnel induced settlements and structural forces in linings. Doctoral thesys, University of

Stuttgart. Plaxis course on numerical modelling – L’uso del metodo degli elementi finiti nella ingegneria geotecnica. Corso

Pisa 2008. Plaxis course on numerical modelling – Applicazione del metodo degli elementi finiti nella ingegneria geotecnica

Corso Genova 2011. Schweiger H. (2006). Numerical methods in geotechnical engineering. Taylor e Francis. Schweiger H. Modelling issues for numerical analysis of deep excavations. SchweigerH., Huang X., Huang H. (2011). Influence of deep excavations on nearby existing tunnels. International

Journal of Geomechanics. Thansnanipan N., Maung A.W., Aye Z.Z., Submaneewong C. (2006). Construction of diaphragm wall for

basement excavation adjacent to tunnels in Bangkok subsoil. International symposium on underground excavation and tunnelling.