CEDIMENTI INDOTTI DA GRANDI SCAVI IN AMBIENTE URBANO: IL CASO DELLA STAZIONE SAN PASQUALE A NAPOLI

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1 CEDIMENTI DOTTI DA GRANDI SCAVI AMBIENTE URBANO: IL CASO DELLA STAZIONE SAN PASQUALE A NAPOLI Silvia Autuori Dipartimento di Ingegneria Civile Edile ed Ambientale DICEA dell Università degli Studi di Napoli Federico II, silvia.autuori@unina.it Gianpiero Russo Dipartimento di Ingegneria Civile Edile ed Ambientale DICEA dell Università degli Studi di Napoli Federico II, pierusso@unina.it Marco Valerio Nicotera Dipartimento di Ingegneria Civile Edile ed Ambientale DICEA dell Università degli Studi di Napoli Federico II, nicotera@unina.it Sommario Nella città di Napoli sono state realizzate importanti opere di ingegneria civile al fine di potenziare il trasporto pubblico. Tra queste la stazione metropolitana di San Pasquale che è stata realizzata lungo la Riviera di Chiaia in prossimità di numerosi edifici, alcuni di essi di notevole pregio. Il sottosuolo è costituito da materiali piroclastici sciolti a tetto della formazione del tufo giallo napoletano. La realizzazione dell opera ha comportato la risoluzione di rilevanti problemi geotecnici ed il controllo della interazione con il tessuto urbano circostante e pertanto è stata accompagnata da una attenta e costante attività di monitoraggio. La nota è dedicata alla presentazione di alcuni dati di monitoraggio che descrivono il comportamento dell opera e dell ambiente urbano circostante ed al loro confronto con alcune analisi numeriche agli elementi finiti eseguite mediante l utilizzo del programma di calcolo PLAXIS 2D. 1. Introduzione Si presentano alcuni dati di monitoraggio relativi alla stazione San Pasquale appartenente alla costruenda Linea 6 della Metropolitana di Napoli tratta Mergellina Municipio, ubicata nel cuore della città di Napoli lungo la Riviera di Chiaia in corrispondenza del centro della Villa Comunale. I dati riportarti si riferiscono al periodo che va da settembre 28 a luglio 214, ovvero al periodo durante cui è stata completata la costruzione del rustico dell opera; i dati in questione costituiscono la base per il confronto con i risultati di alcune analisi numeriche. 2. L opera Il pozzo principale di stazione ha una forma in pianta rettangolare di 8. m 24.1 m e profondità di 27 m circa. Il lato lungo del pozzo di stazione è disposto parallelamente all allineamento dei fabbricati e all asse della galleria di linea. In Fig.1 sono riportate la planimetria e l'ubicazione della sezione trasversale di mezzeria di Fig.2. Lo scavo principale è sostenuto da pannelli perimetrali a T in c.a. (interasse 2.6 m, altezza=3.2 m, larghezza= 2.8 m, spessore ala = 1.2 m; spessore anima= 1.2 m) profondi circa m. In adiacenza ai lati lunghi del pozzo principale sono ubicate le due uscite, all interno di scavi profondi circa 1 m sostenuti da diaframmi perimetrali in c.a. di forma

2 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2- IARG 2 Cagliari, giugno 2 rettangolare (spessore=1.2 m) lunghi circa 22 m. S13 S11 S12 P3 P P4 Fig 1. Pianta con ubicazione dei sondaggi e sezione trasversale della stazione San Pasquale 3. Il sottosuolo Il piano campagna nella zona interessata dallo scavo si trova ad una quota costante compresa tra +2 m s.l.m. e m s.l.m., il pelo libero della falda si trova in media a circa 1.3 m s.l.m. con piccole oscillazioni stagionali. La stratigrafia ed il modello geotecnico sono stati definti sulla base di diverse campagne di indagini che hanno comportato l esecuzione di sondaggi (Fig. 1), prove penetrometriche, cross-hole, prove dilatometriche, prove di permeabilità Lugeon. Sono stati inoltre prelevati dei campioni e sottoposti a prove di laboratorio. Inoltre dopo la realizzazione dei pannelli perimetrali è stata eseguita una prova di pompaggio all interno del pozzo, con verifica indiretta delle permeabilità delle formazioni interessate. La stratigrafia è costituita da una alternanza di sabbie di spiaggia e retroduna con sottili intercalazioni di cineriti e pomici fino ad una profondità di circa 2 m dal piano campagna. La stratigrafia è costituita poi da un alternanza di piroclastiti in sede e rimaneggiate fino alla profondità di circa 4 m, al di sotto di tale quota si rinviene il tetto della formazione del tufo giallo napoletano che presenta nell area di stazione un andamento alquanto irregolare. Ai fini dell analisi numerica è stata schematizzata una sezione stratigrafica semplificata in corrispondenza della sezione trasversale di mezzeria (Fig. 2). In particolare dall alto verso il basso si distinguono i seguenti strati di terreno: alternanze di riporti e sabbie marine fino alla profondità di 17 m (strato A); alternanze di piroclastiti in sede e rimaneggiate dello spessore di 24 m (strato B); al di sotto di un cappellaccio di tufo alterato di modesta coesione (strato C) si rinviene la formazione di tufo giallo napoletano (strato T) (Ansaldo, 21). I valori delle caratteristiche fisiche e meccaniche desunti dalle prove in sito e in laboratorio sono tipici dei materiali piroclastici del napoletano (g=16, 18, kn/m 3 ; f =36 ). STAZIONE Fig 2. Sezione stratigrafica longitudinale e modello stratigrafico semplificato sezione trasversale

3 EI EI Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2- IARG 2 Cagliari, giugno 2 4. Il monitoraggio In Fig. 3 è riportata l ubicazione degli strumenti utilizzati per il monitoraggio con la relativa legenda. Per la sezione trasversale di Fig.2 sono diagrammati in Fig.4 i profili inclinometrici in termini di spostamenti orizzontali misurati in durante alcune delle principali fasi esecutive (Tab.1). I profili sono stati ricavati assumendo che lo spostamento all'estremità inferiore dell'inclinometro fosse nullo. Le deformate mostrano comportamenti simili per i pannelli contrapposti rispettando comunque le differenti condizioni di vincolo alla base (i.e. profondità del tetto del tufo) e in testa. Si nota che nelle prime fasi esecutive le paratie hanno un comportamento a mensola; successivamente dopo la realizzazione del solettone di copertura si osservano incrementi trascurabili degli spostamenti in sommità. Il massimo spostamento orizzontale misurato per un pannello disposto sul lato degli edifici è pari a 37.2 mm. Successivamente alla chiusura dei pozzi di aggottamento si osserva una riduzione degli spostamenti orizzontali della paratia lato mare di circa 8 mm. In Fig. è diagrammato il profilo dei cedimenti dei caposaldi disposti lungo i fabbricati, le diverse campiture contraddistinguono le fasi lavorative riportate in Tab.1. Il profilo dei cedimenti mostra una conca di subsidenza che si approfondisce e si allarga con l'avanzare dei lavori. In accordo con le misure inclinometriche, lo spostamento massimo si misura in corrispondenza della mezzeria dello scavo (24.27 mm) al termine dello scavo del pozzo principale (fase 1); in seguito alla chiusura dei pozzi di aggottamento si produce una riduzione del cedimento massimo di 3.34 mm. Questo fenomeno è ovviamente attribuibile ad una variazione delle pressioni interstiziali sia nel sottosuolo sia in corrispondenza del perimetro dello scavo. STL 2 CS 17 CS 18 CS 16 STL 19 CS CS 19 STL 18 1 P 2 P 1 1 CS 2 STL 13 STL CS 1 CS 9 STL 12 STL 14 CS 11 STL 11 CS 8 EI STL 1 CS 7 CS 6 CS 12 STL 17 CS 14 6 STL 16 CS CS EI 2 CS P 3 P 4 CS CS 24 P P 6 CS 2 3 STL 9 CS CS 4 CS 26 CS 27 STL STL 7 8 P 7 CS 3 CS 28 STL 6 CS 2 CS 29 STL CS 1 EI STL 4 Legenda STL 3 STL 2 (CS) Caposaldi (STL) Staffe livellometriche () Piezometri elettrici () Piezometri () Inclinometri (EI) Estenso-inclinometri Pannello strumentato con inclinometro Pannello strumentato con inclinometro e berrette estensimetriche STL 1 Fig 3. Planimetria della stazione San Pasquale con ubicazione degli strumenti per il monitoraggio - -1 lato mare lato edifici SP_EI2 SP P6 SP P13 SP P74 SP P41 Fase 9 Fase 1 Fase 2 Fase 4 Fase 8 Fase 1 RIPORTI E SABBIE MARE CS 16 via civ. 22 civ. 1 civ. 27 civ. 2 Bausan CS CS 14 CS 13 CS 12 CS 11 CS 8 CS 7 CS 6 CS CS 4 CS 3 CS 2 CS Fase 9 Fase 1 1 PIROCLASTITI CAPPELLACCIO TUFO LITOIDE Quota [m s.l.m.] Cedimenti caposaldi [mm ] POZZO STAZIONE Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 Fase Fase 6 Fase 7 Fase 8 Fase 9 Fase , 2,2 26,8 37,9 49,7 6,6 67,3 78,6 8,3 91, 12, 112,4 12,2 Distanza progressiva caposaldi [m] 124 Risultante degli spostamenti [mm] Fig 4. Spostamenti orizzontali delle paratie in corrispondenza della sezione trasversale di mezzeria Fig. Cedimenti in corrispondenza dei caposaldi disposti lungo gli edifici

4 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2- IARG 2 Cagliari, giugno 2 FASE DATA (dal..) LAVORAZIONI CEDIMENTI MAX Scavi (m slm) Aggottamento (m slm) Altro fase (mm) totali (mm) 1 /9/8 Paratie e jet grouting -2,3-2,3 2 27/8/9 Scavi archeologoci -4 -,4-2,8 3 1//1 Dewatering test (-22) -2,98 -, /7/1 pozzo centr. (-7) -1 TBM e copertura -,2-6,3 23/3/11 pozzo centr. (-9) -12-1,19-7, /12/11 pozzo centr. (-12) -2 -,24-7, /1/12 pozzo centr. (-) -2 -,32-13, 8 12/9/12 pozzo centrale (-2) -29 -,62-13, /9/12 discenderia lato mare (-9) -29-7,2-2, /12/12-2 solettone di fondo -3,3-24, /1/13 al 24/7/14 discenderia lato edifici (-13) fine aggottamento il 23/1/213 3,34-2,93 Tab 1. Fasi esecutive dell opera. Analisi numerica Un analisi dello stato tensionale e deformativo dell opera e del terreno circostante è stata condotta in condizioni di deformazione piana con riferimento alla sezione trasversale di Fig.2. L analisi è stata eseguita utilizzando un programma di calcolo di calcolo agli elementi finiti (PLAXIS 2D rev.ae), L estensione del modello di calcolo è stata scelta in modo da ridurre al minimo gli effetti di bordo Il reticolo impiegato per il calcolo (Fig.7) è costituito da 339 elementi triangolari a nodi di dimensioni medie di 2.21 m per un totale di 2971 nodi. Per quanto riguarda il comportamento meccanico dei terreni, agli strati superiori di terreno sciolto è stato attribuito il modello costitutivo Hardening Soil i cui parametri sono stati stimati sulla base delle prove CPT riportate in Fig.6. In particolare il modulo di rigidezza secante corrispondente al % del deviatore a rottura E è stato assunto pari a 3 volte il valore della resistenza alla punta penetrometrica q c mediata all interno dello strato. La rigidezza di carico e scarico del terreno E ur è stata assunta pari al doppio del modulo E e cioè pari a 6 volte il valore medio della resistenza penetrometrica. Per gli strati sottostanti, il cappellaccio ed il tufo si è fatto ricorso al più semplice modello elastoplastico perfetto di Mohr Coulomb. I parametri utilizzati per i singoli strati sono riassunti nella Tab.2. I diaframmi a T, in ragione delle notevoli dimensioni della loro sezione, sono stati modellati come elementi solidi a comportamento elastico lineare isotropo (sono stati adottati diversi valori del modulo E: per l ala il modulo del calcestruzzo; per l anima un modulo ottenuto per omogeneizzazione tenendo conto della presenza di terreno tra le ali). Il solettone di copertura e i solai intermedi sono stati modellati come puntoni elastici di opportuna rigidezza. La simulazione della costruzione si compone di 24 fasi di calcolo definite in modo da riprodurre nel modo più realistico possibile quanto avvenuto nel corso della realizzazione del manufatto. In questa sede, per ovvie ragioni di sinstesi, si descrivono esclusivamente gli effetti prodotti dalla prova di dewatering (fase 3) e dalla chiusura dei pozzi di aggottamento al completamento dello scavo e dell impermeabilizzazione del pozzo principale (fase 11). In Fig.8 è riportata una rappresentazione a mappa di colori degli spostamenti verticali calcolati in corrispondenza della fase 11. Si può notare che la zona di estensione dei cedimenti è pari a circa 3 volte la profondità di scavo; ciò evidentemente conferma quanto noto dalla letteratura (e.g. Peck, 1969). In riferimento al cedimento del caposaldo CS_8 (Fig.3), posto nella sezione di analisi a circa 24 m dal bordo dello scavo del pozzo centrale, si osserva che il valore calcolato è pari a 4.24 mm nella fase 3 ed a mm nella fase 11 subito dopo la chiusura dei pozzi di aggottamento; in entrambe le condizioni il valore calcolato è minore di quello misurato (Tab. 1). Nelle Fig.9 e 1 sono rappresentati gli spostamenti orizzontali misurati e calcolati dei pannelli P13 (lato mare) e P74 (lato edifici) entrambi a sostegno del pozzo principale con riferimento alle fasi 3 e 11. Il confronto dei risultati del calcolo con i dati di monitoraggio conferma che il comportamento deformativo delle paratie è notevolmente influenzato dalla profondità del tetto del tufaceo, che funge da incastro alla base, e l importanza della profondità di rinvenimento di questa roccia tenera. In generale, sia per quanto riguarda gli spostamenti orizzontali che verticali, la simulazione numerica qui presentata, sebbene

5 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2- IARG 2 Cagliari, giugno 2 riesca a cogliere il comportamento complessivo dell'opera, a volte sottostima gli spostamenti al massimo del 2 % rispetto a quanto monitorato. Fig 7. Mesh di calcolo della sezione 2D Fig 6. Profilo CPT Fig 8. Cedimenti a mappa di colore calcolati al termine dell aggottamento lato mare lato edifici SP_EI2 SP P6 SP P13 SP P74 SP P41 Prova di dewatering misurato calcolato RIPORTI E SABBIE MARE PIROCLASTITI CAPPELLACCIO TUFO LITOIDE Profondità [m da p.c.] lato mare lato edifici SP_EI2 SP P6 SP P13 SP P74 SP P41 Fine scavo e aggottamento misurato calcolato RIPORTI E SABBIE MARE PIROCLASTITI CAPPELLACCIO TUFO LITOIDE Risultante degli spostamenti [mm] 1 1 Risultante degli spostamenti [mm] Profondità [m da p.c.] Fig 9. Spostamenti orizzontali calcolati delle paratie a sostegno del pozzo principale al termine della prova di dewatering (fase 3) Fig 1. Spostamenti orizzontali calcolati delle paratie a sostegno del pozzo principale al raggiungimento della quota di fine scavo e chiusura dei pozzi di aggottamento (fase 11)

6 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2- IARG 2 Cagliari, giugno 2 Strato Prof. [m] γ [kn/m 3 ] C [kpa] φ [ ] k[m/s] ur ref E E oed E ur E A x1-7, B x1-7, C x1 -, T x Tab2. Parametri dei modelli utilizzati 6. Conclusioni La simulazione numerica dello scavo della stazione metropolitana di San Pasquale qui descritta riesce a cogliere in maniera soddisfacente il comportamento delle opere a protezione degli scavi e almeno qualitativamente la risposta dell ambiente urbano esterno per tutte le fasi di esecuzione dell opera. L esatta ubicazione del tetto del tufo gioca un ruolo fondamentale alla fine della previsione dei cedimenti. Altrettanto fondamentale è la corretta simulazione dell aggottamento dell acqua e dello scavo. Il calcolo fornisce dei risultati in termini di cedimenti del piano campagna e di spostamenti orizzontali delle paratie leggermente minori di quelli misurati. Bibliografia Ansaldo (21). Relazione geologica. Clough G.W., O Rourke T.D. (199). Construction induced movements of in situ walls, ASCE, geotechnical special publication n 2 design and performance of earth retaining structures,pp Fenelli G.B., Pagano L. (1997). Osservazioni sul comportamento di un diaframma realizzato in terreni piroclastici sciolti, Proc. IV Convegno Nazionale dei Ricercatori di Ingegneria Geotecnica, pp.237,28. L Amante (212). Displacements induced by the installation of diaphragm panels, ActaGeotechnica 7: Meyerhof G.G, Fellenius B.H. eds. (198). Canadian Foundation Engineering Manual, 2 nd Edition, Canadian Geotechnical Society. Peck R.B. (1969). Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground, Proceedings, 7 th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Sociedad Mexicanade Mecanica de Suelos, A.C., Mexico City, pp Plaxis (2), Manual Plaxis 2D 2, Delft University of Technology & PLAXIS b.v., The Netherland, ISBN- 13: