INTERPRETAZIONE DEI CEDIMENTI INDOTTI DALLO SCAVO DELLA NUOVA LINEA 5 DELLA METROPOLITANA DI MILANO

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1 INTERPRETAZIONE DEI CEDIMENTI INDOTTI DALLO SCAVO DELLA NUOVA LINEA 5 DELLA METROPOLITANA DI MILANO Valentina Fargnoli Università di Bologna valentina.fargnoli2@unibo.it Daniela Boldini Università di Bologna daniela.boldini@unibo.it Angelo Amorosi Politecnico di Bari a.amorosi@poliba.it Sommario La nota fa riferimento alla costruzione della nuova Linea 5 della Metropolitana di Milano, attualmente in fase di completamento. Le due gallerie della linea, caratterizzate da un diametro di circa 6.7 m e da una profondità media dell asse di 15 m dal piano campagna, sono state realizzate con macchine TBM-EPB in terreni alluvionali sabbioso-ghiaiosi parzialmente sotto falda. Nello studio sono presi in esame i cedimenti associati allo scavo della prima galleria della linea (galleria dispari o di destra) nella porzione iniziale della tratta in condizioni di campo libero. Tali misure sono state analizzate a posteriori, in direzione trasversale e longitudinale allo scavo, mediante classiche espressioni semi-empiriche note dalla letteratura. È stata esaminata, inoltre, l influenza di differenti parametri di scavo, quali, ad esempio, la pressione di supporto al fronte e la pressione delle iniezioni di intasamento a tergo del rivestimento definitivo sull entità della perdita di volume e sul profilo di subsidenza nelle sezioni monitorate. L analisi condotta ha consentito di interpretare le misure di sito e di fornire una descrizione di dettaglio dello scavo con macchine EPB nelle specifiche condizioni geotecniche esaminate. 1. Introduzione La progettazione di gallerie metropolitane in area urbana non può prescindere da una previsione affidabile del campo di spostamenti indotto nel terreno dalla realizzazione dell opera e, di conseguenza, del danno potenziale che può essere subito dalle strutture esistenti in interazione con lo scavo. La previsione dei cedimenti del terreno a piano campagna è generalmente effettuata, in condizioni di campo libero, mediante espressioni semi-empiriche basate su un elevato numero di osservazioni in sito. In una sezione trasversale all asse della galleria ad una sufficiente distanza dal fronte di scavo, la forma del profilo di subsidenza è riconducibile ad una distribuzione gaussiana inversa (Peck, 1969). Tale funzione risulta controllata da due parametri: la perdita di volume, V L, e la distanza del punto di flesso dall asse della galleria, i x. La perdita di volume è definita come rapporto, generalmente espresso in percentuale, tra il volume individuato dal profilo trasversale di subsidenza per unità di lunghezza (V S ) e il volume di scavo della galleria. La sua entità è significativamente influenzata dal metodo di scavo e, nel caso di gallerie urbane realizzate con frese di tipo EPB (Earth Pressure Balance),

2 possibili valori di riferimento sono V L =0.5% in terreni sabbiosi e V L =1% 2% in terreni argillosi teneri (Mair e Taylor, 1997). Il parametro i x viene calcolato come prodotto tra la profondità dell asse della galleria, z 0, e la costante empirica K, dipendente esclusivamente dalla tipologia di terreno. Il valore assunto da tale costante è compreso tra 0.2 e 0.45 per terreni incoerenti, tra 0.4 e 0.6 per argille consistenti e tra 0.6 e 0.75 per argille tenere (Mair e Taylor, 1997). Il profilo dei cedimenti in direzione longitudinale alla galleria è ben descritto da una curva di probabilità cumulata (Attewell e Woodman, 1982). L analisi di numerosi casi di studio ha messo in luce che l entità del cedimento in corrispondenza del fronte di scavo, in assenza di supporto, è generalmente circa il 50% del cedimento massimo, S v,max, e che tale valore si riduce sensibilmente fino a valori pari a S v,max per gallerie realizzate con macchine EPB o Slurry Shield (Nomoto et al.,1995). L effetto della pressione applicata dalla macchina tende, infatti, a ridurre l entità del cedimento in corrispondenza del fronte di scavo, inducendo una traslazione orizzontale della curva di probabilità cumulata rispetto al caso di fronte non supportato (i.e. scavi in argille consistenti). In questa nota vengono presentate ed interpretate le misure dei cedimenti rilevati dal sistema di monitoraggio attivo durante lo scavo e la costruzione della Linea 5 della Metropolitana di Milano. La linea, realizzata a doppia canna, è suddivisa in due tratte funzionali (Bignami-Garibaldi; Garibaldi- San Siro). I dati presentati in questo studio (Fargnoli et al., 2013), relativi alla seconda tratta, sono stati registrati durante la costruzione della prima galleria della linea (galleria dispari o di destra), in 29 sezioni di campo libero tra le stazioni San Siro Harar-Segesta, per una lunghezza di circa 1.3 km. Nella nota si esaminano, inoltre, le possibili correlazioni tra i principali parametri di scavo della macchina EPB, registrati durante l avanzamento dello scavo, e l entità del cedimento prodotto. 2. La nuova Linea 5 della Metropolitana di Milano: tecnologia costruttiva, sistema di monitoraggio e modello geotecnico di sottosuolo La Linea 5 della Metropolitana di Milano attraversa la città da nord (con capolinea nella stazione Bignami) a ovest (con capolinea nella stazione San Siro Harar), per una lunghezza di 12.6 km e con 19 stazioni di accesso. Le due gallerie della linea hanno diametro interno pari a 5.8 m, profondità media dell asse z 0 =15 m ed interasse d di circa 15 m; sono realizzate in parte sotto falda con macchine TBM-EPB di diametro di scavo D=6.71 m. Lo scavo viene realizzato a piena sezione da una testa fresante e la pressione di sostegno del fronte è applicata attraverso lo stesso terreno scavato, condizionato e miscelato con agenti schiumogeni e polimeri che conferiscono al terreno una consistenza plastica. Tale pressione, calcolata preliminarmente in fase progettuale in base alla tensione orizzontale totale del terreno alla profondità della galleria, può essere variata in corso d opera in funzione dei cedimenti misurati. Per la tratta in esame i valori teorici variano tra circa 100 kpa in corrispondenza della calotta e circa 160 kpa nella zona dell arco rovescio. Il rivestimento della galleria in conci prefabbricati di calcestruzzo armato ha spessore pari a 30 cm e lunghezza di 1.4 m; lo spazio anulare tra il profilo di scavo e l estradosso del rivestimento è intasato mediante l iniezione di una miscela bicomponente (miscela cementizia con accelerante di presa a base silicatica). Durante le varie fasi costruttive della galleria, è stato eseguito lungo la linea un estensivo monitoraggio della subsidenza con livellazione topografica di precisione ad una frequenza massima di 3 letture/giorno. In ogni sezione strumentata sono stati disposti sulla superficie del terreno, in direzione trasversale alle gallerie, da 5 a 9 caposaldi topografici per la misura degli spostamenti verticali al piano campagna. L intero sistema metropolitano della città di Milano si sviluppa all interno di un deposito di origine fluvio-glaciale, costituito prevalentemente da ghiaie e sabbie, di matrice limosa con locali lenti di argilla, da mediamente ad altamente addensate. Per la ricostruzione del modello geotecnico di sottosuolo nella porzione di tratta in esame, sono stati elaborati (Skempton, 1986) i risultati di 35

3 prove SPT, eseguite in tre fori di sondaggio (ABP1_82.38, ABP2_777.19, ABP3_ ) realizzati nella porzione iniziale della tratta tra le stazioni San Siro Harar e Segesta (il numero che identifica il sondaggio si riferisce alla sua posizione lungo lo sviluppo della galleria). Nella zona d interesse, sebbene siano presenti delle variazioni stratigrafiche locali, si può ritenere che il terreno abbia una risposta complessivamente omogenea dal punto di vista meccanico, caratterizzata dai seguenti parametri di resistenza: c =0 kpa; φ =33. Il valor medio della densità relativa del materiale è all incirca pari al 70 %. Il peso dell unità di volume, stimato sulla base di determinazioni di laboratorio, è di 20 kn/m 3. Lungo la sezione, il livello della falda freatica, determinato con piezometri a tubo aperto, varia tra 14.5 m (ABP1_82.38) e 18.2 m dal piano campagna (ABP3_ ). Lungo la tratta non sono state condotte indagini geofisiche. Assunta la sostanziale omogeneità dei terreni interessati dal processo di scavo, può essere considerato come rappresentativo il profilo di rigidezza a taglio a piccole deformazioni con la profondità, G 0 (z), dedotto a partire dalle velocità delle onde di taglio misurate durante una prova down hole condotta nei pressi della stazione Tre Torri, a circa 3.6 km dalla tratta in esame. Tale rigidezza varia tra MPa. Il rapporto atteso tra la rigidezza a taglio operativa (G) e quella a piccole deformazioni (G 0 ) ricade nell intervallo , coerentemente con il livello medio di deformazione indotto nel terreno dalla costruzione di opere geotecniche quali le gallerie. 3. Analisi e interpretazione delle misure della subsidenza I cedimenti indotti dallo scavo della galleria dispari della linea, registrati nelle sezioni strumentate S_62.6-S_ (anche in questo caso il numero della sezione si riferisce alla sua posizione lungo lo sviluppo della galleria), sono riportati nel piano normalizzato di Figura 1. Tali misure sono relative a condizioni stazionarie (i.e. assenza di evoluzioni del cedimento a seguito dell avanzamento dello scavo). Come atteso nel caso dello scavo di una singola galleria, la figura mostra che, in ogni sezione, lo spostamento verticale massimo è quello misurato in corrispondenza dell asse della galleria e si riduce progressivamente allontanandosi da esso. L analisi dei dati sperimentali ha consentito di riscontrare un cedimento massimo S v,max minore di 25 mm, con un valore medio di 12 mm, coerentemente con le indicazioni di letteratura (e.g.: Nomoto et al., 1995). La maggior parte dei dati risulta ben interpretata dalle curve gaussiane (Peck, 1969) ottenute per valori di K appropriati a terreni incoerenti (fra 0.25 e 0.45), in particolare nella zona compresa tra x=±2i x. Il cedimento può essere, invece, sottostimato laddove la distanza dall asse diventa maggiore della profondità della galleria (i.e. x>z 0 ) (Grant e Taylor, 2000). In ciascuna sezione strumentata, le misure sperimentali sono state interpolate con la curva gaussiana di migliore approssimazione, come mostrato nell esempio di Figura 2 per la sezione S_ I V L così determinati, in accordo con i dati di letteratura (e.g.: Mair e Taylor, 1997), variano tra 0.27 % e 0.82 %, con un valore medio pari a 0.5 %, a testimonianza di una buona gestione della tecnica di scavo meccanizzato con EPB. Figura 1. Cedimenti normalizzati e curve gaussiane lungo una sezione trasversale Figura 2. Interpolazione delle misure di cedimento con la curva empirica gaussiana lungo una sezione trasversale

4 L ampiezza del profilo trasversale dei cedimenti indotti dallo scavo di gallerie in terreni incoerenti dipende, in qualche misura, dall entità del cedimento (Cording, 1991). In Figura 3 è possibile osservare, infatti, che all aumentare del cedimento il profilo è complessivamente più stretto e, sebbene le condizioni siano lontane dalla rottura, coerente con il meccanismo a camino, noto in letteratura per lo scavo di gallerie in terreni sabbiosi (Mair e Taylor, 1997). Con riferimento al profilo longitudinale dei cedimenti, l evoluzione della misura del cedimento massimo al variare della distanza del fronte della galleria dalla sezione di monitoraggio S_144.2 è descritta in Figura 4: la curva risultante segue con buona approssimazione quella di probabilità cumulata traslata, coerentemente con quanto osservato per scavi con EPB o Slurry Shield (Mair e Taylor, 1997). In figura sono, inoltre, mostrate le componenti del cedimento associate alle differenti fasi costruttive (Sugiyama et al., 1999): il cedimento, generalmente trascurabile, misurato nella sezione prima dell arrivo della fresa (fase I), il cedimento al fronte (fase II), il cedimento indotto dal passaggio dello scudo (fase III) e quello associato al vuoto tra il terreno e l estradosso del rivestimento alla coda dello scudo (fase IV). Nel caso in esame non sono presenti cedimenti di consolidazione (fase V) per la natura stessa dei terreni interessati dal processo di scavo. Figura 3. Ampiezza del profilo ed entità del cedimento lungo una sezione trasversale Figura 4. Cedimenti in asse alla galleria lungo una sezione longitudinale e profili semi-empirici In tutte le sezioni, l esame delle misure ha consentito di riscontrare che la maggiore aliquota del cedimento occorre durante la fase III ( 3 ) e che una porzione significativamente più ridotta è associata alla fase IV ( 4 ), laddove le iniezioni di intasamento a tergo del rivestimento sono risultate generalmente in grado di limitare lo sviluppo di ulteriori cedimenti. Dall efficiente gestione della pressione al fronte consegue l efficace controllo degli spostamenti misurati durante la fase II: i cedimenti al fronte rientrano, infatti, nell intervallo S v,max, in accordo con le indicazioni di letteratura (Nomoto et al., 1995; Mair e Taylor, 1997). 4. Effetto dei parametri di scavo sull entità del cedimento misurato Nel presente paragrafo viene valutato l effetto dei principali parametri di scavo sui cedimenti associati alla costruzione della galleria di destra della linea e se ne definiscono valori tipici per il problema in esame. I parametri presi a riferimento sono: la pressione di supporto al fronte (e.g.: Branque et al. 2002); la pressione delle iniezioni di intasamento a tergo del rivestimento (e.g.: Peila et al., 2011); il tempo di fermo della fresa; il tempo di installazione di un singolo anello di rivestimento; la spinta della macchina sul rivestimento già posto in opera per l avanzamento durante il processo di scavo (e.g.: Dimmock et al., 2002). Sulla base dell analisi dei parametri registrati lungo una porzione della tratta di circa 1.3 km, sono stati calcolati i valori medi riportati nella Tabella 1. È possibile osservare, in particolare, come il valore medio della pressione al fronte sia leggermente superiore al valore massimo teorico previsto in sede progettuale in corrispondenza dell arco rovescio. Ciò è dovuto alle più elevate pressioni registrate durante l avvio dello scavo, nella fase di apprendimento.

5 Tabella 1. Valori medi dei parametri di scavo registrati durante la costruzione dei primi 1.3 km della prima canna Parametri di scavo Valori medi Pressione al fronte (kpa) 162 Pressione delle iniezioni di intasamento (kpa) 169 Tempo di fermo della fresa (h) 0.7 Tempo di installazione di un anello di rivestimento (h) 0.8 Spinta della macchina (kn) Come osservato nel precedente paragrafo, la maggiore aliquota del cedimento si manifesta durante il passaggio dello scudo. I movimenti del terreno indotti durante questa fase non possono essere, tuttavia, controllati (Sugiyama et al., 1999) e risultano dipendenti dalle caratteristiche geometriche dello scudo stesso. In questo studio si è effettuata una prima analisi della possibile relazione esistente tra i cedimenti al fronte (disponibili in poche sezioni monitorate) e la pressione al fronte, senza riscontrare, tuttavia, nessuna correlazione apprezzabile. L analisi dei dati nel suo complesso ha comunque consentito di constatare che la pressione applicata dalla macchina contribuisce in modo evidente alla limitazione del cedimento al fronte, come già anticipato. Una ulteriore e più estesa analisi, eseguita in tutte le sezioni monitorate, ha permesso di esplorare l esistenza di una possibile correlazione tra la perdita di volume associata al cedimento finale e i parametri di scavo registrati lungo un tratto di galleria di 8.4 m (dimensione pari a sei volte la lunghezza di un anello di rivestimento, ossia 4.2 m prima e 4.2 m dopo la sezione monitorata). Le correlazioni osservate, significative solo nel caso della pressione al fronte e della pressione delle iniezioni di intasamento, sono mostrate rispettivamente nelle Figure 5 e 6. Nello specifico, le figure riportano sia i valori registrati sia i valori medi, questi ultimi ottenuti considerando otto classi di pressione, di ampiezza pari a 20 kpa, definite nell intervallo kpa. L andamento dei dati, sebbene relativamente dispersi, prova il ruolo di tali parametri nella mitigazione del cedimento e nella conseguente riduzione della relativa perdita di volume. In particolare, si osserva che la pressione delle iniezioni di intasamento ha un ruolo importante sulla riduzione del cedimento totale (Figura 6). A fronte di un aliquota di cedimento 4 modesta, come si osserva in corrispondenza della coda dello scudo, l azione delle iniezioni sembra, quindi, giocare un ruolo non trascurabile nella inibizione della perdita di volume totale, da mettere in relazione con un possibile effetto arco longitudinale che estende l azione di supporto delle iniezioni anche alla zona a tergo dello scudo. Figura 5. Correlazione tra V L (%) e pressione al fronte Figura 6. Correlazione tra V L (%) e pressione delle iniezioni

6 5. Conclusioni Nella nota viene presentato il caso della Linea 5 della Metropolitana di Milano, realizzata a doppia canna con una macchina TBM di tipo EPB in terreni incoerenti, parzialmente sotto falda. Nella ricerca vengono analizzate e discusse le misure dei cedimenti di campo libero rilevate lungo la porzione iniziale della tratta Garibaldi-San Siro per circa 1.3 km, durante e dopo la costruzione della prima galleria della linea. Tali misure sono state interpretate con soluzioni semi-empiriche al fine di ottenere una descrizione completa dei profili di subsidenza in direzione trasversale e longitudinale allo scavo. I cedimenti misurati in 29 sezioni strumentate in direzione trasversale alla galleria sono ben approssimati da una distribuzione gaussiana caratterizzata da valori di K appropriati a terreni granulari (i.e ) e da un valor medio della perdita di volume pari a circa 0.5 %. Coerentemente con altre ricerche riportate in letteratura, i dati di monitoraggio evidenziano la dipendenza dell ampiezza del profilo trasversale dal corrispondente cedimento massimo, che aumenta al diminuire di i x. L evoluzione del cedimento in direzione longitudinale in asse alla prima galleria è colto con discreta accuratezza da una curva di probabilità cumulata, caratterizzata dallo stesso valore del punto di flesso del profilo trasversale e da un cedimento al fronte di entità generalmente inferiore alla metà del cedimento massimo finale. Ciò comporta una traslazione del profilo di subsidenza longitudinale, ascrivibile all effetto della pressione di supporto al fronte che, se opportunamente controllata, è in grado di limitare significativamente gli spostamenti. Nella parte conclusiva della nota si è esaminato il ruolo di alcuni parametri di scavo sulla subsidenza, allo scopo di evidenziarne una possibile influenza sui cedimenti finali registrati. Dall analisi è emerso che sia la pressione di supporto al fronte sia quella delle iniezioni a tergo del rivestimento influenzano i cedimenti indotti dalla costruzione della galleria, mostrando una correlazione lineare inversa con i relativi valori della perdita di volume. Ringraziamenti Si ringrazia Astaldi S.p.A. nelle persone degli Ingegneri D. Fraccaroli e A. Caffaro per i dati di monitoraggio messi a disposizione del presente studio e per aver contribuito all interpretazione di tali dati. Bibliografia Attewell P.B., Woodman J.P. (1982). Predicting the dynamics of ground settlement and its derivatives caused by tunnelling in soil. Ground Engineering, 15 (8), 13-22, 36. Branque D., Subrin D., Boutin C. (2002). Etude sur modéle réduit du creusement des tunnels par la method du bouclier à pression de terre. Proc. Int. Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, Toulouse, Cording E.J. (1991). Control of ground movements around tunnels in soil. General Report, 9 th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Chile, Dimmock P.S., Mair R.J., Standing,J.R. (2002). Ground movements caused by tunnelling with an earth pressure balance machine: a greenfield case study at Southwark Park, London. Proc. Int. Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, Toulouse, Fargnoli V., Boldini D., Amorosi A. (2013). TBM tunnelling-induced settlements in coarse grained soils: the case of the new Milan underground line 5. Tunnelling and Underground Space Technology. In print. Grant R.J., Taylor R.N. (2000). Tunnelling-induced ground movements in clay. Proc. Instn. Civ. Engrs. Geotech. Engng., 143, Mair R.J., Taylor R.N. (1997). Theme Lecture: Bored Tunnelling in the urban environment. Proc. 14 th Int. Conf. on SMFE, Hamburg, 4, Nomoto T., Mori H., Matsumoto M. (1995). Overview on ground movements during shield tunnelling a survey on Japanese shield tunnelling. Proc. Int. Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, Balkema, Peck R.B. (1969). Deep excavations and tunnelling in soft ground. Proc. 7 th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Mexico City, State of the Art Volume, Peila D., Borio L., Pelizza S. (2011). The behaviour of a two-component back-filling grout used in a tunnel-boring machine. Acta Geotechnica Slovenica, 1, Skempton A.V. (1986). Standard Penetration Test Procedures. Géotechnique, 36 (3), Sugiyama T., Hagiwara T., Nomoto T., Nomoto M., Ano Y., Mair R.J., Bolton M.D., Soga K. (1999). Observations of ground movements during tunnel construction by slurry shield method at the Docklands Light Railway Lewisham Extension East London. Soils and Foundations, 39 (3),