3. Opere di Ingegneria. Scelta del tracciato e studio della sede stradale

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1 Scelta del tracciato e studio della sede stradale 76 Classificazione delle strade in base all assetto geomorfologico - Strade in aree di pianura - Strade in aree montuose di fondovalle a mezza costa di cresta 77

2 Problematiche di strade in aree di pianura 1. Rischi da dinamica fluviale (esondazioni, erosioni) 2. Rischi di cedimenti per scadenti proprietà geotecniche dei terreni 3. Problemi legati alla scarsa soggiacenza delle falde (impaludamento, cedimenti) 78 Problematiche di strade in aree montuose 1) Strade di fondovalle - problemi analoghi a strade di pianura - stabilità dei versanti e scelta opere stabilizzazione - dinamica del corso d acqua - opere (ponti, gallerie) per rettificare il tracciato 79

3 Problematiche di strade in aree montuose 2) Strade a mezzacosta - problemi connessi a stabilità versante predominanti 3) Strade di cresta - problemi di erosione e frane sui due versanti, data la maggiore esposizione agli agenti atmosferici 80 Definizioni e terminologia Gallerie: infrastrutture civili realizzate nel campo dell ingegneria stradale, ferroviaria ed idraulica, in caso di tracciato che interessa rilievi morfologici il cui attraversamento esterno risulterebbe particolarmente complesso e/o oneroso, o per motivi di carattere ambientale o urbanistico. A) Gallerie naturali: le rocce e/o terreni inglobano completamente la galleria (scavo a foro cieco). B) Gallerie artificiali: scavo preliminare di trincea (scavo a cielo aperto) e successiva copertura. C) Gallerie parietali: gallerie naturali realizzate all interno di fianchi vallivi con coperture estremamente esigue sul paramento di valle. D) Gallerie paramassi: gallerie artificiali realizzate per proteggere la sede stradale da caduta di massi. 81

4 Definizioni e terminologia paramento Terminologia delle diverse parti di una galleria 82 Indagini geognostiche - Fase preliminare: Informazioni bibliografiche e foto aeree: indicazioni sulle direttrici più favorevoli. - Indagini approfondite: in corrispondenza di tali direttrici: rilevamento geologico (1: :25.000); rilievi geomeccanici di dettaglio su affioramenti rocciosi. - Studio geomorfologico ed idrogeologico dell area - Risultati: elaborati tecnici in cui vengono evidenziate aree critiche in cui sono necessarie ulteriori indagini geognostiche (sondaggi, prospezioni geofisiche) - Determinazione del tracciato più favorevole 83

5 Elaborazione di un profilo geomeccanico di previsione Esempio di profilo geomeccanico di previsione 84 Principali problematiche di natura geologica durante la realizzazione di gallerie 1) Problematiche legate alla natura litologica ed all assetto stratigrafico - tettonico - Terreni sciolti: situazioni sfavorevoli legate a scarse caratteristiche di resistenza e presenza d acqua. - Roccia: problematiche legate a grado di fratturazione, condizioni giaciturali in rocce stratificate, deformazioni (pieghe, faglie). 85

6 1) Problematiche legate alla natura litologica ed all assetto stratigrafico - tettonico - Pieghe: ospitano tensioni residue di varia natura 86 1) Problematiche legate alla natura litologica ed all assetto stratigrafico - tettonico - Faglie: presenza di materiale cataclasato (limo, breccia di frizione) con autoportanza scarsa o nulla e circolazione preferenziale di acqua 87

7 2) Problematiche legate alle condizioni morfologiche A) Gallerie superficiali Condizioni di stabilità influenzate da: - tipo di copertura, soprattutto se in presenza di materiali sciolti - fenomeni carsici - dissesti superficiali - fenomeni di alterazione superficiale Fig La coltre di detrito e i depositi glaciali favoriscono l infiltrazione delle acque sotterranee che vengono convogliate in galleria attraverso le fratture della roccia. 88 2) Problematiche legate alle condizioni morfologiche B) Gallerie profonde - presenza di convergenze elevate - Possibili bruschi detensionamenti con possibile violenta proiezione di materiale in galleria (colpo di montagna) - Possibile presenza di elevate temperature 89

8 3) Altre problematiche - Venute d acqua ( inrush ): soprattutto in corrispondenza di faglie/sovrascorrimenti, fratture, carsismo. Possono comportare problemi per l avanzamento. - Reperimento di gas (anidride carbonica, ossido di carbonio, ossidi di azoto, acido solfidrico, anidride solforosa) - Rinvenimento di acque aggressive: in grado di aggredire chimicamente i calcestruzzi. - Rinvenimento di materiali rigonfianti (smectiti, illiti, caoliniti): aumentano di volume e comportano deformazioni e convergenza delle pareti - Rinvenimento di amianto 90 Mezzi di scavo, metodologie di avanzamento e tecniche costruttive Mezzi di scavo 1. Scavo meccanico - Mezzi di scavo tradizionali (pale meccaniche, martelli demolitori, ecc.) Pale meccaniche: riservate a materiali incoerenti o debolmente coerenti Martelli demolitori ( martelloni ): per rocce con caratteristiche scadenti o per correggere profilatura di scavo dopo abbattimento con esplosivo 91

9 Mezzi di scavo 1. Scavo meccanico - Mezzi di scavo non tradizionali Frese: utilizzate per roccia Scudi: per terreni o per rocce molto fratturate 92 Frese - Frese ad attacco integrale o a piena sezione o TBM (Tunnel Boring Machine): testa rotante, con diametro pari a quello della galleria, con spinta ottenuta contrastando la macchina alle pareti mediante cuscinetti azionati da dispositivi idraulici Frese ad attacco integrale (TBM): testa rotante con diametro pari a quello della galleria 93

10 Scudi Costituiti da camicia esterna, generalmente cilindrica, sulla cui parte anteriore è collocato il sistema di scavo che varia a seconda del tipo di scudo Scavo mediante esplosivo - Realizzazione di fori da mina nel fronte di scavo mediante appositi mezzi ( jumbo ) dotati di una serie di perforatrici - Insieme di mine ( volata ) fatte brillare contemporaneamente o in fasi successive distanziate di millisecondi (tecnica di presplitting ), 95

11 2. Scavo mediante esplosivo Mezzi ( jumbo ) che ospitano perforatrici provviste di aste metalliche ( fioretti ) attrezzate all estremità con mezzi taglienti: nei fori così realizzati si inseriscono le mine Volata 96 Tecniche costruttive Principali fasi durante la realizzazione di gallerie: 1) Preconsolidamenti (eventuali) e precontenimento: finalizzati a migliorare la qualità dei materiali da attraversare. Iniezioni di miscele cementizie e/o chimiche, jet-grouting, chiodatura del fronte di scavo. 2) Scavo 3) Consolidamenti radiali (eventuali) e contenimento del cavo Bulloni, iniezioni 97

12 Tecniche costruttive Principali fasi durante la realizzazione di gallerie: 4) Rivestimento di prima fase: finalizzato a conseguimento di condizioni di equilibrio a breve termine della cavità Spritz-beton eventualmente armato, centine 5) Impermeabilizzazione (eventuale, ma quasi sempre presente) Manto in P.V.C. su pareti di scavo 6) Rivestimento definitivo o di seconda fase Getto di calcestruzzo eventualmente armato su pareti con spessore variabile a seconda delle condizioni esistenti ( cm) 98 Definizione della qualità degli ammassi A) Classificazione di Rabcewicz-Pacher qualitativa; applicabile a rocce e materiale sciolto 99

13 B) Classificazione di Bieniawski o dell indice RMR (Rock Mass Rating) Basata su 5 parametri: 1) Resistenza alla compressione, ottenuta tramite prova di compressione monoassiale o Point Load Test 2) RQD 3) Spaziatura dei giunti 4) Condizione dei giunti: apertura, rugosità, grado di alterazione, presenza o meno di materiali di riempimento 5) Condizioni idrauliche - RMR: Somma dei valori assegnati ai 5 parametri (variabile tra 0 e 100) - Correzioni (tramite apposite tabelle) in base a rapporti tra orientazione galleria e delle discontinuità 100 Point Load Test - Prova di tipo monoassiale consistente nel comprimere il campione posizionato tra due punte coniche comandate da un sistema idraulico a pressione, fino a provocarne la rottura - Si ottiene un Indice di Point Load dal quale si risale, tramite una relazione empirica, alla resistenza a compressione monoassiale del materiale. 101

14 Point Load Test Prova standard Provino cilindrico D =50 mm P Is (50) = D 2 Modalità di esecuzione - 10 prove - Si escludono i due valori più alti e i due più bassi - Si fa la media aritmetica dei restanti sei valori 102 RQD (Rock Quality Designation) Lunghezza degli spezzoni di carota > 10 cm R.Q.D. = 100 Lunghezza totale della carota 103

15 B) Classificazione di Bieniawski o dell indice RMR 104 C) Classificazione di Barton o Q-system - semiquantitativa - applicabile ad ammassi rocciosi Si basa sulla definizione dell indice Q definito come: dove: - RQD (Rock Quality Designation): percentuale di recupero di un sondaggio - Jn: numero di famiglie di discontinuità - Jr: scabrezza delle discontinuità - Ja: alterazione ed il riempimento dei giunti - Jw: presenza di acqua nei giunti - SRF: stato tensionale dell ammasso 105

16 D) Indice GSI (Geological Strength Index) (Hoek, 1994) Si basa sulla semplice identificazione, mediante apposita tabella, di una categoria di appartenenza dell ammasso roccioso in esame, in funzione di una sua descrizione qualitativa, nella quale si fa riferimento alle osservazioni in sito, tendenti ad individuare le famiglie di discontinuità e le condizioni delle loro superfici di contatto L indice GSI è stato introdotto per superare alcune lacune del sistema di classificazione di Bieniawski, per quanto concerne gli ammassi rocciosi scadenti. Il metodo GSI permette inoltre di stimare i parametri di resistenza al taglio dell ammasso roccioso. 106 D) Indice GSI 107

17 Tecniche di consolidamento Tecniche utilizzate per migliorare le caratteristiche fisicomeccaniche dei terreni e delle rocce. Si possono distinguere due gruppi di tecniche: A) Interventi migliorativi Causano un aumento di resistenza, andando a costituire uno spessore di materiale consolidato all intorno della zona dove viene realizzata l opera. Comprendono: 1. Iniezioni; 2. Jet grouting; 3. Congelamento; 4. Compattazione; 5. Drenaggio B) Interventi conservativi Impiegati durante l esecuzione di uno scavo in modo da conservare il più possibile indisturbate le condizioni di tensioni e deformazioni del terreno o roccia. Comprendono: 1. Armature; 2. Pretaglio meccanico 108 Interventi migliorativi: Iniezioni Iniezione in rocce o terreni dotati di una certa permeabilità di miscele cementizie o soluzioni chimiche all interno di fori di sondaggio. 109

18 3. Opere di Ingegneria Inserimento di tubi in vetroresina (VTR) e iniezioni 110 Jet grouting - Iniezione di miscele cementizie ad altissima pressione - Il getto provoca una disgregazione del terreno, miscelandolo contemporaneamente con un fluido cementizio stabilizzante fino a formare una colonna di materiale con caratteristiche meccaniche migliori rispetto al terreno originario - Adatto a terreni di qualsiasi granulometria - Realizzazione di una serie di colonne di terreno consolidato - Diametro delle singole colonne: cm (terreni incoerenti); cm (terreni coesivi) 111

19 Jet grouting - Trattamenti suborizzontali: a partire dal fronte di avanzamento lungo il profilo estradosso 112 Interventi conservativi: Armature Miglioramento delle caratteristiche meccaniche di terreno o roccia fratturata mediante inserimento di elementi strutturali più resistenti (barre, tubi, cavi in acciaio) Armature passive o precompresse Strutture disposte ortogonalmente rispetto all asse del fronte di scavo Centine: tipo di armature passive attualmente più utilizzato. Armature metalliche costituite da profilati a doppia T, montate in sito e imbullonate tra loro. 113

20 Infilaggi Serie di armature portanti in acciaio disposte all esterno della sezione con andamento lievemente inclinato verso l alto. 114 Ancoraggi Miglioramento caratteristiche di resistenza al taglio e a trazione lungo superfici di debolezza. Tre tipi di ancoraggi: - bulloni - chiodi - tiranti 115

21 Scelta ubicazione di una diga di ritenuta Sulla base di studi e considerazioni di carattere: - Idrologico - Morfologico - economico Problematiche geologiche 1. Impermeabilità invaso 2. Stabilità sponde e versanti 3. Interrimento invaso 4. Stabilità substrato 5. Impermeabilità soglia 6. Reperimento inerti Impermeabilità dell invaso Le acque che si raccolgono a monte dello sbarramento non devono poter sfuggire lateralmente o dal fondo in quantità tali da rendere l'opera poco conveniente, dal punto di vista economico, o addirittura inutile. Alcune condizioni di tenuta dell invaso 117

22 2. Stabilità delle sponde e dei versanti Quando viene realizzato uno sbarramento, si deve porre particolare attenzione alle conseguenze che la creazione del lago artificiale può comportare sulla stabilità dei terreni costituenti le sponde e i fianchi della valle sovrastante l'invaso, nonché l'influenza che la costruzione della diga ha sui pendii di imposta delle spalle 3. Interrimento dell invaso La vita media di un bacino artificiale dipende essenzialmente dal suo interrimento e quindi del trasporto solido, la cui entità dipende da vari fattori Stima interrimento (vita media dell invaso): applicazione metodi di valutazione quantitativa perdita di suolo nell area a monte Stabilità del substrato di fondazione della diga Dipende da vari fattori: Litologia del substrato: accertare presenza di rocce sfavorevoli (es. gessi o calcari con fenomeni carsici) Caratteristiche tecniche delle rocce (resistenza al taglio, a compressione, ecc.) ed omogeneità litologica e tecnica Disomogeneità litologiche o nelle proprietà tecniche possono determinare deformazioni differenziali nella struttura - Assetto delle discontinuità (stratificazione, scistosità, fratturazione) - Condizioni tettoniche: faglie, pieghe - Sottopressioni: spinta dell acqua alla base della diga 119

23 5. Impermeabilità della soglia L'impermeabilità dipende dalla natura, dalla struttura e dalla fratturazione della roccia, nonché dall'andamento dei piani di scistosità o dei giunti di stratificazione 120 Normativa di riferimento: Legge obiettivo n. 443 Linee Guida per il Programma di Monitoraggio Ambientale (PMA) Aspetti geologici di interesse: 1. Suolo e sottosuolo 2. Ambiente idrico 3. Rifiuti Rocce e terre da scavo 121

24 Monitoraggio grandi opere Articolazione temporale del monitoraggio: 1. Monitoraggio ante-operam: stato attuale dell ambiente naturale relativamente alle sue componenti fisiche 2. Monitoraggio in corso d opera: variazioni delle componenti fisiche indotte dalla realizzazione dell opera 3. Monitoraggio post-operam: modifiche delle componenti fisiche avvenute rispetto alla situazione di riferimento ante-operam 122 Programma di monitoraggio ambientale (PMA) Aspetti da trattare: 1. Finalità (alla conoscenza di quali aspetti è finalizzato il programma di monitoraggio) 2. Fattori per la definizione elementi rete di monitoraggio (in base a cosa scegliere dove effettuare le misure) 3. Definizione elementi rete di monitoraggio (stazioni misura, tipologia misure, parametri, frequenza, ecc.) Settori di competenza geologica: 1. Assetto del territorio (versanti, corsi d acqua) 2. Ambiente idrico sotterraneo (circolazione idrica, pozzi, sorgenti) 123

25 3. Opere di Ingegneria Monitoraggio gallerie 1. Processi di versante e deformazioni superficiali - Possibile innesco di frane, soprattutto nelle tratte di imbocco ed in gallerie superficiali che vanno ad interessare materiali sciolti e coperture detritiche - Deformazioni superficiali ed eventuali sprofondamenti ( fornelli ) in tratte di gallerie a bassa copertura che interessano terreni o rocce estremamente fratturate/carsificate 124 Monitoraggio gallerie 2. Impatti sulla circolazione idrica sotterranea e acque superficiali - Se la galleria si trova al di sopra della falda, le problematiche sono ridotte; se invece la galleria si snoda al di sotto della falda, gli effetti possono essere molto rilevanti - Effetti generali: drenaggio delle falde, con perdita di risorse idriche sotterranee, abbassamento dei livelli freatici nella zona soprastante, variazioni delle portate in pozzi, sorgenti e corsi d acqua superficiali connessi alle falde 125

26 3. Opere di Ingegneria Monitoraggio gallerie - Impatti sulla qualità delle acque, con possibili rischi di inquinamento durante la fase di cantiere per sversamenti accidentali all interno della galleria fino a quando non viene impermeabilizzata 3. Impatti legati allo smaltimento del materiale di scavo - Possibili alterazioni chimico-fisiche del suolo, del sottosuolo, delle acque superficiali (corsi d acqua) e sotterranee, derivanti dalla movimentazione e dall accumulo del materiale di scavo delle gallerie 126 Monitoraggio gallerie IMPATTI SULLA CIRCOLAZIONE IDRICA SOTTERRANEA - Aree interessate da carsismo: effetti accentuati e spesso imprevedibili a causa della complessità del sistema di circolazione sotterranea Spaccato verticale schematico di un sistema carsico 127

27 Gallerie TAV attraverso l Appennino Toscano * Anni tra 1996 e 2005: territorio provincia di Firenze interessato dalle opere di cantierizzazione e scavo di uno dei più importanti sistemi di gallerie ferroviarie realizzati in Europa. Finalità: collegamento Firenze Bologna mediante Alta Velocità / Alta Capacità ferroviaria Tratta in questione ( TAV ) comprende 79 km di cui 73 in gallerie, di cui in Provincia di Firenze 54.5 km di cui 45 in galleria da Canuti et al. (2009), Le gallerie TAV attraverso l Appennino toscano: impatto idrogeologico ed opere di mitigazione. Edifir, Edizioni Firenze, 207 pp. 128 Gallerie TAV attraverso l Appennino Toscano Effetti più importanti causati da intercettazione: - generalizzato abbassamento dei carichi piezometrici, conseguente allo svuotamento parziale o totale delle porzioni acquifere di ammasso roccioso, che ha localmente esaurito e diminuito la resa di pozzi - riduzione della portata dei torrenti montani, riconducibile a perdite in alveo, con prosciugamento completo nei periodi di magra o comunque con flussi ampiamente inferiori al Deflusso Minimo Vitale 129

28 Geologia del tracciato Profilo geologico lungo la linea TAV 130 Acque sotterranee intercettate dalle gallerie TAV - A titolo di esempio si riporta il caso della Galleria Firenzuola (km 15), la quale attraversa per gran parte della sua estensione la Formazione Marnoso Arenacea - Idrogramma della portata in avanzamento: evidenzia l intercettazione di numerose strutture acquifere (ciò si è verificato anche per le altre gallerie) 131

29 Acque sotterranee intercettate dalle gallerie TAV Idrogramma di drenaggio in avanzamento della galleria Firenzuola con identificazione dei principali inrush 132 Analisi degli impatti desunta dal monitoraggio - Sorgenti: 2 su 5 in media sono state influenzate, con prosciugamento totale ed irreversibile per 33 sorgenti, prosciugamento estivo per 21 sorgenti, o abbassamento di portata per 15 sorgenti - Torrenti: 17 aste torrentizie principali monitorate, delle quali solo 3 possono considerarsi non influenzate, le altre 14 influenzate con vario grado di impatto (da riduzioni portata a prosciugamento) - Pozzi: su 35 monitorati, in 31 pozzi si è verificata un interferenza 133