La realizzazione di gallerie in formazioni geologicamente complesse

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1 2015 # 36 La realizzazione di gallerie in formazioni geologicamente complesse Massimo Chiarelli Esperto in tecniche avanzate di scavo in sotterraneo Con il termine Ammassi Rocciosi Strutturalmente Complessi vengono definite, in ambito geomeccanico, quelle formazioni geologiche che, a causa della loro composizione e struttura, risultano di difficile classificazione e comportano notevoli problematiche in fase di caratterizzazione e definizione dei parametri di resistenza (A.G.I., 1979; Meyerhof, 1982; Houska, 1982; Picarelli, 1986). I parametri di resistenza possono infatti variare di diversi ordini di grandezza all interno della medesima formazione, comportando, di conseguenza, una notevole difficoltà nella scelta del modello geomeccanico di riferimento in relazione alla tipologia di problematica da affrontare. Il comportamento meccanico d insieme di una formazione strutturalmente complessa può variare da quello di un ammasso Figura 2 Sezione trasversale riportante gli interventi di consolidamento e sostegno roccioso competente, fino a quello di un terreno; le proprietà di resistenza dipendono sia dalle singole componenti, sia dal loro arrangiamento spaziale, nonché dal loro rapporto preciso. Lo studio di una formazione complessa non può, quindi, prescindere da una corretta ed esaustiva determinazione delle proprietà delle componenti litoidi principali, seguita da una valutazione dei parametri rappresentativi dell intero ammasso. Dove le caratteristiche formazionali lo permettano, i parametri di ammasso dovranno essere valutati attraverso prove in situ a grande scala, su volumi di materiale rappresentativi. La presenza di formazioni complesse si riscontra, in Italia, soprattutto nei tratti appenninici. È stata osservata un evidente connessione tra la presenza di tali formazioni, per lo più depositi flysch, e l esistenza di fenomeni Figura 1 Galleria Fiasco S.S. 106 Jonica in argille grigio azzurre siltose Borgia(CZ) franosi. 1

2 I depositi flyschoidi sono caratterizzati da rilevante eterogeneità e, l intensa tettonizzazione, crea una struttura disordinata che ne rende difficile la caratterizzazione e di conseguenza la scelta dei parametri di progetto. Tali formazioni, infatti, non sono classificabili né come ammassi rocciosi, né come veri e propri terreni e, pertanto, la loro caratterizzazione meccanica, non può essere condotta né secondo le procedure e tecniche standard della meccanica delle rocce, né secondo quella della meccanica delle terre. Figura 3 Valutazione degli spostamenti mediante elaborazione 3D con consolidamento del fronte di scavo con ancoraggi in VTR (L=24 m) e chiodature in calotta. Come già detto, anche la scala d investigazione non può limitarsi a quella dei normali provini di laboratorio. Formazioni con una struttura completamente caoticizzata intensamente tettonizzate, quali i flysch (terreni del gruppo B), oppure terreni eterogenei costituiti da elementi lapidei (terreni del gruppo C), sono immersi in una matrice, quasi sempre a litologia argillosa, è frequentemente caratterizzata da una struttura a scaglie, dovuta alla presenza di piani di foliazione o clivaggio che possono assumere un orientazione preferenziale all interno dell ammasso e possono giocare un ruolo determinante nel comportamento meccanico (Medley & Rehermann, 2004). La realizzazione di gallerie in formazioni strutturalmente Figura 4 Galleria ferroviaria Sibari Cosenza realizzata in argille grigio azzurre con complesse come quelle che lenti di sabbia (foto Rocksoil) si incontrano nell Italia centro-meridionale dove sono i terreni argillosi con struttura complessa a farla da padrona, richiedono una molteplicità di competenze ingegneristiche e geotecniche che vedono i tecnici italiani 2

3 in una posizione di indiscussa leadership al mondo 1. Infatti, la realizzazione di queste opere in tali formazioni portano con se una serie di soluzioni tecniche importanti derivanti dall interazione terreno-struttura. Particolarmente complesse sono le formazioni conosciute come il Complesso Caotico costituite da argille varicolori scagliose fortemente tettonizzate e interessate, a seguito dell ultima glaciazione (circa anni fa), dalle variazioni del livello marino (frequentissimo, nel loro interno, il ritrovamento di fossili marini). Essendo terreni un tempo sommersi e, comunque formazioni che hanno subito profonde modificazioni, sono stati interessati, molti lo sono tuttora, da frane e/o movimenti gravitativi superficiali e profondi 2. Un approccio geotecnico dettagliato nella progettazione di un opera importante come una galleria in queste formazioni 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 queste formazioni costituite da argille e, quindi, da terreni a grana fine, occorre distinguere 3 condizioni in cui possono venirsi a trovare nel corso di realizzazione di una galleria. Stiamo parlando della condizione non drenata (breve termine), condizione di transizione (la pressione interstiziale dell acqua cambia per trovare una nuova condizione di equilibrio), condizione drenata (lungo termine). Questi materiali manifestano un comportamento molto simile alle argille sovraconsolidate: dopo un primo comportamento elastico lineare la risposta del terreno diventa chiaramente non lineare. La pressione soglia, oltre la quale si ha questo cambiamento di comportamento (plasticizzazione), è definita pressione di preconsolidazione. In corrispondenza di essa ha inizio un fenomeno di de-strutturazione interna, legata ad un progressivo decadimento dei legami di cementazione fra i grani, che porta ad un aumento della deformabilità del materiale, fino a raggiungere quella propria del materiale ri-sedimentato. Elevate pressioni di confinamento possono indurre una destrutturazione completa del terreno. Questo fenomeno fa sì che questi materiali possano essere considerati come una roccia resistente per basse pressioni di confinamento e come un terreno per pressioni elevate. Frequentemente Figura 5 Schematizzazione delle deformazioni e degli interventi di consolidamento contengono dei minerali che, in presenza di acqua, sono in grado di espandersi e possono dare luogo a fenomeni di rigonfiamento. Gli stessi materiali, se sottoposti a particolari condizioni di carico, possono portare ad un comportamento di tipo spingente (M. Chiarelli, 2001). Entrambi questi fenomeni, sebbene abbiano origini completamente differenti, danno luogo alle medesime condizioni diffici- 1 M. Chiarelli All Italia la leadership della Geotecnica - INGENIO 20/05/2014, Imready Srl, RSM 2 M. Chiarelli Deformazioni Gravitative Profonde di Versante e Grandi Frane - INGENIO N 17, Imready Srl, RSM 3

4 li durante la costruzione di opere sotterranee. In particolare, i fenomeni che si possono osservare nello scavo di gallerie sono: convergenze notevoli in parete ed estrusioni rilevanti del fronte di scavo, che possono eventualmente provocare fenomeni di instabilità locale; tensioni importanti all interno del rivestimento e delle eventuali opere di sostegno; degrado progressivo delle caratteristiche meccaniche dell ammasso nella zona in prossimità dello scavo. La condizione a breve termine è quella che deve essere accuratamente analizzata in quanto coinvolge direttamente il comportamento che il terreno manifesterà in fase di apertura del cavo e, quindi, la stabilità del nucleo-fronte. Da ciò dipende anche la stabilità del primo rivestimento (provvisorio), se previsto, in relazione anche della tecnologia di scavo adottata. Dalle condizioni a lungo termine o drenate, invece, dipenderà la stabilità del rivestimento definitivo della galleria. È noto che questi terreni a grana fine hanno un decadimento della resistenza al taglio non drenata nel tempo a causa del rilassamento del materiale. Questo rende particolarmente impegnativa la progettazione di queste opere, specie in presenza di acqua, per ciò che riguarda la scelta del metodo di attacco, scavo e avanzamento atti a minimizzare il decadimento della resistenza al Figura 6 Rappresentazione delle deformazioni taglio del terreno (M. Chiarelli, 2001); fondamentale risulterà anche la tempistica di esecuzione dello scavo e posa in opera del rivestimento provvisorio e definitivo 3. Come già detto in precedenza, in queste formazioni strutturalmente complesse, un analisi tridimensionale dello stato tensionale e deformativo in corrispondenza del fronte di scavo, riveste un aspetto fondamentale della progettazione. Conoscere anticipatamente, mediante un analisi bidimensionale semplificata, le condizioni di sforzo nell intono del cavo non ancora stabilizzato con preconsolidamenti e/o rivestimento valutando la risposta dell ammasso allo scavo, può essere di notevole aiuto alla progettazione dell opera e, quindi, di tutte le fasi realizzative. Tuttavia, va considerato che un analisi bidimensionale trascura l aspetto importante del comportamento del terreno durante l avanzamento dello scavo ed in particolare della deformazione Figura 7 Rappresentazione del profilo di deformazione e dei vettori spostamento 3 M. Chiarelli L arte del costruire gallerie Uni Service, Trento

5 del fronte. Infatti, lo stato tensionale intorno al cavo è influenzato in maniera preponderante da ciò che succede al fronte e, quindi, dalle evoluzioni delle deformazioni. Per contro, un approccio tridimensionale tiene conto della distribuzione delle tensioni e delle deformazioni sia al contorno che sul fronte di scavo. Una modellazione tridimensionale agli elementi finiti o alle differenze finite in campo non lineare consente, specie nelle gallerie di grande diametro, di giungere ad una progettazione mirata degli interventi di rinforzo al fronte. Volendo riassumere le criticità che si possono incontrare nella realizzazione di gallerie in formazioni complesse dovute appunto all eterogeneità delle stesse, si possono sintetizzare come segue: instabilità del fronte dovuta all intensa fratturazione delle formazioni; convergenze elevate; Figura 8 Profilo longitudinale di consolidamento e sostegno di una galleria evidenti fenomeni deformativi in superficie; criticità sul rivestimento dovute alla presenza di azioni considerevoli; evoluzione di fenomeni di dissesto con difficoltà nella realizzazione degli imbocchi ma anche nel proseguimento delle fasi di scavo; innesco di fenomeni franosi. Conclusioni La realizzazione di un opera in sotterraneo in formazioni complesse come le argille grigioazzurre varicolori scagliose, richiede la messa in atto di soluzioni tecniche importanti derivanti dall interazione terreno-struttura. Nell intervenire per limitare le criticità sull opera (instabilità al fronte, convergenze elevate, evidenti fenomeni franosi), nel caso di scavo realizzato con metodi tradizionali, si procede con: riduzione dei campi di scavo e aumento delle sovrapposizioni utili per i consolidamenti del nucleo-fronte; affinamento delle tecniche esecutive dei consolidamenti; esecuzione del getto dell arco rovescio in prossimità del fronte; esecuzione del getto di calotta nei primi campi di scavo; razionalizzare le fasi operative di cantiere al fine di una produzione soddisfacente. Bibliografia [1]. M. Chiarelli L Arte del costruire gallerie Editrice Uni Service, Trento, [2]. M. Chiarelli All Italia la leadership della Geotecnica - INGENIO 20/05/2014, Imready Srl, RSM. [3]. M. Chiarelli Deformazioni Gravitative Profonde di Versante e Grandi Frane INGENIO n 17, Imready Srl, RSM. [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. 5