Gallerie realizzate in ammassi rigonfianti e/o spingenti

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1 Gallerie realizzate in ammassi rigonfianti e/o spingenti Headrace Tunnel, Perù. Deformazione di circa 2 metri con sollevamento dell arco rovescio in ammasso rigonfiante Massimo Chiarelli Ingegnere esperto in tecniche avanzate di scavo in sotterraneo N ella progettazione di gallerie, è essenziale tenere debitamente conto dell evoluzione del campo tensionale e deformativo nel terreno attorno al fronte di scavo durante l avanzamento. Nel caso di scavo eseguito mediante TBM, i cedimenti durante lo scavo, sono localizzati nel settore dello scudo (se presente). Un altro esempio, è quello dello scavo di gallerie in ammasso spingente. Scavando la galleria con una TBM scudata, convergenze dell ordine di alcuni centimetri non causano problemi grazie alla differenza di diametro esistente tra il profilo di scavo e lo scudo. Al contrario, se le convergenze sono sufficientemente grandi da chiudere questo spazio libero, l ammasso esercita una pressione sullo scudo. In questo caso, l avanzamento della TBM può essere ostacolato o addirittura impedito. Naturalmente, più velocemente si sviluppano le convergenze, maggiore è il rischio di blocco dello scudo. La velocità di deformazione nei pressi del fronte di scavo è importante anche nel caso di scavo tradizionale. Uno sviluppo rapido delle convergenze può rallentare considerevolmente l avanzamento in quanto la messa in opera delle misure di sostegno necessarie al controllo della risposta dell ammasso interferisce con i lavori di scavo. L utilizzo di un sistema statico bidimensionale in condizioni di Figura 1 Blocco della TBM causato da un ammasso spingente. Foto: Werner Burger, Herrenknecht AG 1 di 6 deformazione piane per la determinazione delle deformazioni e delle pressioni del terreno in prossimità del fronte di scavo introduce una serie d incertezze. Infatti, in questo caso è necessario fare delle assunzioni in merito allo sviluppo delle deformazioni e delle tensioni in senso longitudinale. Inoltre, i modelli bidimensionali non tengono conto d importanti informazioni concernenti la risposta del terreno allo scavo della galleria.

2 Un approccio geotecnico dettagliato nella progettazione di un opera importante come una galleria è fondamentale. Le soluzioni tecnologiche e il calcolo numerico disponibili per lo studio dell evoluzione del comportamento del terreno in fase di scavo, rendono la progettazione particolareggiata ed approfondita attraverso l elaborazione di modelli in 3 dimensioni che simulano il comportamento al fronte di scavo ed al contorno della galleria. In condizioni geologiche dove Figura 2 Fasi di costruzione di un modello di galleria eseguita con TBM scudata in fase realizzativa il comportamento del terreno è pronunciatamene tempo-dipendente (ad esempio gallerie superficiali in argille o gallerie profonde in rocce deboli), la velocità d avanzamento influenza notevolmente lo sviluppo delle deformazioni (e, rispettivamente, delle pressioni) dell ammasso in prossimità del fronte di scavo. Infatti, in questo caso le deformazioni dovute a creep o consolidazione sono sovrapposte a quelle risultanti dalla ridistribuzione tridimensionale delle tensioni dovuta allo scavo della galleria. I modelli di calcolo basati su sistemi statici piani considerano una sezione trasversale della galleria situata lontano dal fronte di scavo e assumono condizioni di deformazione piane. In presenza di simmetria rotazionale, dal punto di vista matematico il problema è unidimensionale. La cosiddetta linea caratteristica dell ammasso, chiamata anche curva di risposta del terreno (Panet e Guenot, 1982), esprime il rapporto tra la pressione radiale agente sul rivestimento e lo spostamento radiale del terreno al profilo di scavo. Assumendo equilibrio e compatibilità tra ammasso e rivestimento, la linea caratteristica dell ammasso può essere utilizzata in combinazione con quella del rivestimento per determinare la convergenza radiale che deve verificarsi affinché la pressione dell ammasso si riduca ad un valore ammissibile per il rivestimento scelto. Un problema fondamentale di questo tipo di approccio è che tutte le soluzioni basate su condizioni di deformazione piane (sia quelle in forma chiusa sia quelle risultanti da una soluzione numerica che considera un rilascio parziale delle tensioni prima dell attivazione del rivestimento), presuppongono che la tensione radiale al contorno del cavo diminuisca monotonamente dal suo valore iniziale (che prevale nell ammasso ad una certa distanza davanti al fronte di scavo) alla pressione di sostegno (che si sviluppa ad una certa distanza dietro il fronte di scavo). Tuttavia, il reale percorso di carico comporta un completo scarico del Figura 3 Modello 3D degli spostamenti verticali per una galleria eseguita con TBM scudata contorno del cavo in direzione radiale lungo il settore di galleria non supportato e un suo successivo ricarico a partire dal momento in cui le misure di sostegno sono installate. Cantieni e Anagnostou (2009a) hanno dimostrato che l assunzione di 2 di 6

3 una tensione radiale monotonamente decrescente può portare (in particolar modo nel caso di un ammasso fortemente spingente e dal comportamento elastoplastico) a una sottostima più o meno rilevante della pressione dell ammasso e delle sue deformazioni. Lo scavo di gallerie in rocce rigonfianti e/o spingenti è caratterizzato da un comportamento deformativo del cavo che evolve nel tempo con convergenze che, qualora il sostegno risulti inadeguato, possono raggiungere valori importanti (anche dell ordine del metro), ovvero manifestarsi con la tendenza alla chiusura del cavo. Il comportamento rigonfiante delle rocce si manifesta, di norma, con il sollevamento dell arco rovescio e con marcati movimenti dei piedritti. Questi movimenti possono evolvere rapidamente, per esempio durante la costruzione, oppure perdurare nel tempo: anche degl anni. Figura 4 Rappresentazione del percorso delle sollecitazioni di una galleria realizzata in rocce argillose alcuni materiali contenuti nella roccia con l acqua. I minerali interessati dal fenomeno di rigonfiamento sono principalmente l anidrite e l argilla. La prima, in particolari condizioni, si trasforma in gesso con l assorbimento di acqua dall esterno e conseguente aumento di volume. L argilla, invece, può andare incontro ad assorbimento di acqua per osmosi, oppure ad un processo di consolidazione inversa che, in seguito ad un rilascio tensionale, causa incremento negativo della pressione neutra e quindi un richiamo di acqua all interno dei pori. Il rigonfiamento, dunque, si manifesta come un processo reologico che evolve nel tempo sotto forma di aumento di volume del materiale, incremento delle deformazioni ed incremento della pressione esercitata su un eventuale struttura che cerchi di impedire tali deformazioni. La valutazione del reale percorso delle sollecitazioni che si ha durante lo scavo di una galleria, ha inoltre permesso di chiarire meglio come spesso il comportamento deformativo del Comportamento Rigonfiante Il comportamento rigonfiante può essere definito come un incremento di volume dipendente dal tempo, causato da reazioni chimico-fisiche di Figura 5 Innalzamento dell arco rovescio a causa di ammasso rigonfiante. Headrace Tunnel, Perù 3 di 6

4 cavo, con elevate deformazioni, sia dovuto al comportamento sia rigonfiante che spingente dell ammasso. In figura 4 (Bellward e Einstein, 1987) si mostra come, in un materiale dilatante e in condizioni non drenate, si hanno sovrappressioni interstiziali negative in corrispondenza sia del piedritto sia dell arco rovescio ed in calotta. Il percorso delle sollecitazioni, in termini di tensioni totali, è prossimo al percorso tensionale di estensione-carico, nell arco rovescio, e ad un percorso tensionale di compressionescarico in corrispondenza dei piedritti (Lambe e Whitman, 1969). Valutare correttamente il percorso delle sollecitazioni, consente di verificare, inoltre, l influenza della forma della sezione della galleria adottata sulla stabilità del cavo ed il valore della spinta orizzontale a riposo K 0. Qualunque sia il valore di K 0, per una galleria con sezione a ferro di cavallo si verifica Figura 6 Analisi delle deformazioni in funzione delle fasi di scavo con metodo tradizionale sempre una riduzione della tensione media al piede, a differenza di quanto accade per la galleria di forma circolare. Poiché lo scarico tensionale costituisce una delle cause che provocano richiamo di acqua e, quindi, fenomeni di rigonfiamento, appare evidente che la forma a ferro di cavallo è certamente da evitare all interno di rocce ad elevato potenziale rigonfiante, mentre è da preferire la forma circolare. Comportamento Spingente Il comportamento spingente si manifesta quando la variazione dello stato di equilibrio originario, indotta dallo scavo della galleria, ed il relativo incremento delle sollecitazioni sul contorno sono tali da provocare il raggiungimento dei valori di resistenza dell ammasso roccioso, con l innesco di fenomeni deformativi dipendenti dal tempo (creep). Le deformazioni possono terminare durante lo scavo o proseguire per lunghi periodi. Il comportamento spingente può avvenire sia in roccia sia in terra, purché la particolare combinazione degli sforzi indotti e le proprietà del materiale in alcune zone, attorno alla Figura 7 Diagramma della pressione ultima agente sul rivestimento di una galleria in ammasso spingente galleria, si spingano oltre la tensione limite di taglio per la quale si ha l innesco di fenomeni deformativi dipendenti dal tempo. 4 di 6

5 Un metodo semi-empirico per quantificare il comportamento spingente è stato proposto da Jethwa et al. (1984) ed ha come scopo la determinazione della pressione finale che grava sulla struttura di sostegno della galleria. Si è notato che la pressione ultima risulta influenzata dal valore assunto dal seguente rapporto: 2 Dove rappresenta la resistenza a compressione monoassiale dell ammasso roccioso e la tensione originaria isotropa, assunta pari alla pressione verticale dovuta alla copertura. La pressione ultima risulta inoltre influenzata dall angolo di attrito interno di picco e residuo dell ammasso roccioso. Comportamento dell ammasso Fortemente spingente < 0,2 Moderatamente spingente 0,2 0,4 Leggermente spingente 0,4 1,0 Non spingente > 1,0 Conclusioni Lo scavo di gallerie in rocce rigonfianti e/o spingenti è caratterizzato da un comportamento deformativo del cavo che evolve nel tempo con convergenze che, qualora il sostegno risulti inadeguato, possono raggiungere anche valori elevati fino a tendere alla chiusura del cavo stesso. Figura 8 Crollo del fronte di scavo dovuto a creep in rocce deboli con un comportamento fortemente tempo dipendente 5 di 6

6 Il comportamento rigonfiante delle rocce si manifesta generalmente con il sollevamento dell arco rovescio e con marcati movimenti/deformazioni in corrispondenza dei piedritti della galleria. Anche la forma della sezione della galleria gioca un ruolo fondamentale sulla stabilità del cavo. Ad esempio in rocce rigonfianti, la forma a ferro di cavallo è da evitare, mentre è da preferire la forma circolare. La realizzazione di gallerie in rocce spingenti mediante TBM, può essere ostacolato o addirittura impedito e più velocemente si sviluppano le convergenze, maggiore è il rischio di blocco dello scudo. L esperienza pratica dimostra che interruzioni dell avanzamento della TBM sono generalmente sfavorevoli in presenza di roccia spingente. In diversi casi la TBM non è rimasta bloccata fino a quando non c è stato un rallentamento o una sospensione delle operazioni di scavo. Ciò evidenzia come il mantenimento di un elevata velocità d avanzamento e una riduzione dei tempi di fermo macchina possono avere un effetto positivo. In ogni caso, alte velocità d avanzamento non devono essere viste come un rimedio. In primo luogo, esse sono difficili da raggiungere Figura 9 Fase di scavo. Deformazione della centina causata dalla roccia spingente (specie in terreni scadenti). In secondo luogo, convergenze del cavo si possono sviluppare molto rapidamente e molto vicino al fronte di scavo (Ramoni e Anagnostou, 2009a); in tal caso la velocità raggiunta gioca un ruolo secondario (la TBM potrebbe bloccarsi anche se mantenuta in movimento alla massima velocità). In terzo luogo, i fermi macchina non sono completamente evitabili. Bibliografia [1]. M. Chiarelli L Arte del costruire gallerie Editrice Uni Service, Trento, 2009 [2]. M. Chiarelli La realizzazione di gallerie in formazioni geologicamente complesse - INGENIO n 36 del 30 Settembre 2015, Imready Srl - RSM [3]. M. Chiarelli Tunnel realizzati con TBM-EPB - Strade & Autostrade n 114, EDI-CEM Srl, Milano [4]. M. Chiarelli Interazione tra gallerie metro e scavi profondi: metodo smartgde - Strade & Autostrade n 108, EDI-CEM Srl, Milano [5]. M. Chiarelli La costruzione di gallerie in ambiente urbano - "INGENIO" n 28 e dossier di Geotecnica del 14 Novembre 2014, Imready Srl RSM [6]. M. Chiarelli Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, Microtunnelling e Horizontal Directional Drilling - INGENIO n 17, Imready Srl RSM [7]. M. Chiarelli Rivestimenti definitivi di tunnel in elementi prefabbricati - "INGENIO" n 34 del 01 Luglio 2015, Imready Srl RSM [8]. M. Chiarelli Il metodo Top-Down e Bottom-Up - Le stazioni della nuova metropolitana di Roma - "Strade & Autostrade" n 119, EDI-CEM Srl, Milano 6 di 6