CONGRESSO SOCIETA ITALIANA GALLERIE GALLERIE E SPAZIO SOTTERRANEO NELLO SVILUPPO DELL EUROPA Bologna, 17, 18 e 19 ottobre 2013 Linea metropolitana M5, Milano. Esperienze di scavo e di monitoraggio strutturale in prossimità di edifici a torre D.Fraccaroli (1), S.Grosina (1), A.Balossi Restelli (2), F.de Sanctis (3), P.Galvanin (3) (1) Astaldi S.p.A., Direttori di Cantiere (2) Studio ingegneria Balossi Restelli e Associati, Consulente di Astaldi per le opere di consolidamento (3) Alpina S.p.A., Progettisti gallerie di linea e stazioni tratta Monumentale - Isola ABSTRACT: Astaldi SpA ha completato a Milano la prima tratta Zara Bignami della Linea 5 della metropolitana e ne sta terminando il prolungamento alla Stazione Garibaldi, cui seguirà l estensione sino a S.Siro entro il 2015. Le strette interferenze con la Linea 2 della metropolitana, il Passante Ferroviario, la linea FS Garibaldi Greco e la stessa Stazione ferroviaria Garibaldi sono state superate mediante scavo in tradizionale, a doppia e singola canna (totale circa 1.4 km). Partendo dalla futura stazione Monumentale, la galleria a doppio binario (D = 10.3 metri, 15 m di copertura media) ha dovuto sottoattraversare un asse stradale urbano importante (Via Farini), con relativa linea tranviaria, e subito dopo due edifici di rilevante altezza. La galleria - affiancandosi al Passante Ferroviario - arriva così al Manufatto Ferrari, termine dello scavo in tradizionale. Queste importanti interferenze sono state risolte facendo ricorso a una ampia gamma di soluzioni di scavo e consolidamenti sotto monitoraggio. Per i due edifici a torre, in prossimità alla linea, le operazioni di consolidamento e scavo sono state monitorate in continuo mediante un pendolo diretto e catene livellometriche collegate in remoto ad apposito portale web, adottando un approccio allo scavo di tipo osservazionale. 1 Introduzione Il tracciato della nuova Linea 5 della metropolitana di Milano tra la stazione Monumentale (nel seguito Monumentale) ed il Manufatto Ferrari (Ferrari) si raccorda al tratto precedente - proveniente dalla stazione Garibaldi (Garibaldi) - in prossimità del manufatto stesso, sviluppandosi poi per circa 60 metri in fregio a due edifici di via Tazzoli: il complesso alberghiero denominato AC Hotel (ACH), un fabbricato in calcestruzzo armato costruito negli anni 60, e l immobile di via Tazzoli n. 3, un edificio a struttura mista calcestruzzo muratura degli anni 50. Il tratto di galleria a doppio binario (GN) oggetto della presente memoria - realizzato da Astaldi S.p.A. (Astaldi, o AST), mandataria dell ATI che sta costruendo l intera linea in project financing - riveste un ruolo strategico all interno dell opera, in quanto destinato ad asta di manovra dei treni durante la fase di esercizio del primo lotto funzionale tra Garibaldi e Bignami, prima del completamento del secondo lotto fino a San Siro. La galleria è stata scavata a foro cieco, previa realizzazione di trattamenti di consolidamento al contorno di scavo, eseguiti sia in avanzamento che da piano campagna. Le geometrie di iniezione e di scavo sono state definite in modo tale da poter mutare le strategie di lavoro in corso d opera a seconda delle indicazioni derivanti dalle attività di monitoraggio, e delle difficoltà oggettive riscontrate in fase di perforazione/iniezione, tenuto conto dei numerosi vincoli presenti tra Monumentale e manufatto Ferrari, sia in superficie che nel sottosuolo. In Figura 1 è riportata una vista di insieme delle principali interferenze presenti in superficie nella tratta in esame: a partire da Monumentale verso Garibaldi, la galleria sottopassa dapprima via Farini e la relativa linea tranviaria, successivamente si avvicina all ACH, parte in fregio e parte al di sotto del piano di fondazione, per giungere infine al Ferrari avendo prima sottopassato l edificio di via Tazzoli, 3. Le sezioni di Figura 1 mostrano la posizione della GN rispetto alle fondazioni dei due edifici ed alla galleria del Passante Ferroviario (Passante), la cui vicinanza ha condizionato la scelta del tracciato della Linea 5, in affiancamento al Passante fino a Garibaldi con distanze minime dell ordine dei 5-6 m. - 1 -
Figura 1. Tracciato della Linea Metropolitana 5 tra stazione Monumentale e Manufatto Ferrari, con sezioni in corrispondenza dell edificio di via Tazzoli e del corpo alto dell AC Hotel La ricostruzione delle caratteristiche geometriche e strutturali dei due edifici interferiti è risultata particolarmente ardua sia per la complessità degli interventi da realizzare, sia per la mancanza di documentazione originaria relativa alle strutture dei due fabbricati. Per ovviare a tale lacuna conoscitiva, sono state condotte, prima dell inizio delle attività, apposite ricerche documentali di archivio, nonché indagini sulle strutture di fondazione esistenti (carotaggi, pozzetti esplorativi e rilievi topografici), al fine di definire compiutamente il grado di interferenza tra galleria e fabbricati, sviluppare il progetto dei consolidamenti, svolgere le analisi di interazione fra opere di linea ed edifici, definire le soglie di spostamento ammissibile e quantificare il danno potenziale associato a dette soglie. L edificio ACH è quindi risultato costituito da due corpi distinti denominati A e B : - il corpo alto A è costituito da una torre di altezza pari a circa 65 m, ha due piani interrati, mentre fuori terra è costituito da 18 piani destinati alle camere, con due ulteriori solai che delimitano i vani tecnici in copertura; ricopre una superficie di circa 415 mq. La fondazione è risultata costituita da un graticcio di travi di altezza 3.20 m, armata con acciaio di tipo L.U.3 (2200 kg/cmq) precursore delle barre nervate tipo FeB 38K, il cui impiego era regolato dalla circolare 1547 del 17/05/1965; - il corpo basso B, adiacente ad A ed alto circa 8.0 m, ricopre una superficie di circa 450 mq, con due piani interrati e due fuori terra, fondati su plinti isolati di varie dimensioni, di altezza 0.8 m circa. L edificio in via Tazzoli a sua volta è costituito da 2 piani interrati / 8 piani fuori terra, in struttura mista calcestruzzo-muratura. La galleria M5 in questo tratto presenta larghezza interna al piano dei centri pari a 8.70 m ed ha il piano del ferro a quota costante +103.3 m s.m.l. per tutto lo sviluppo della tratta interferente con gli edifici. Il profilo di estradosso della galleria è posizionato a circa 2.90 m di profondità rispetto al piano di fondazione della torre A dell AC Hotel, mentre si colloca a circa 8.0 m al di sotto delle fondazioni dell edificio di via Tazzoli. Da notare che quest ultimo, pur essendo di altezza minore rispetto alla torre, si trova in posizione particolarmente svantaggiosa rispetto agli scavi di GN, perché ne è sottopassato interamente ed obliquamente, con il tracciato della linea che va ad interessare lo spigolo dell edificio. - 2 -
08/08/2006 13/03/2007 27/09/2007 16/10/2007 13/11/2007 13/12/2007 09/01/2008 14/02/2008 12/03/2008 09/04/2008 26/05/2008 20/06/2008 24/07/2008 20/08/2008 16/09/2008 10/10/2008 10/11/2008 08/01/2009 06/02/2009 09/03/2009 15/04/2009 08/05/2009 12/06/2009 27/07/2009 26/08/2009 22/09/2009 13/10/2009 16/11/2009 05/01/2010 04/02/2010 05/03/2010 07/04/2010 06/05/2010 04/06/2010 01/07/2010 02/08/2010 01/09/2010 01/10/2010 29/10/2010 30/11/2010 04/01/2011 01/02/2011 28/02/2011 31/03/2011 19/04/2011 02/05/2011 30/05/2011 04/07/2011 29/07/2011 29/08/2011 27/09/2011 27/10/2011 28/11/2011 19/12/2011 31/01/2012 28/02/2012 Quota della falda [m s.l.m] 2 Analisi delle problematiche di progetto ed esecutive 2.1 Innalzamento della quota di falda La messa a punto del progetto esecutivo della galleria a doppio binario nel tratto in esame ha richiesto un approfondita analisi iniziale sia delle problematiche geotecniche rilevate attraverso apposite campagne di indagini in sito, sia del rischio potenziale indotto dal sottoattraversamento degli edifici. Anche la gestione del corso d opera è stata un operazione delicata e complessa, pur se così attentamente valutata e pianificata. Le difficoltà incontrate e superate in tale studio e in fase esecutiva possono essere ricondotte a tre differenti aspetti, brevemente descritti di seguito. Nel periodo 2007-2012 la falda nella tratta in esame (piezometri PZ9 e PZ11) si è innalzata fino alla quota di +106.70 m s.l.m, ovvero oltre 2 m rispetto alla quota di inizio lavori. L andamento delle misure piezometriche, riportato in Figura 2, mostra una sostanziale stabilità della soggiacenza su tutta la tratta fino alla primavera 2008, data a partire dalla quale si registra un netto incremento delle piezometrie, con progressione pressoché lineare fino ai valori sopra menzionati. Tale innalzamento della falda e i ridotti spazi di manovra tra il piano di lavoro e la calotta di GN hanno pregiudicato la possibilità di eseguire il consolidamento al contorno del cavo mediante trattamento con jet-grouting in avanzamento, come previsto dal progetto. Di conseguenza è stato necessario rivedere la soluzione relativa ai consolidamenti e modificare le modalità di scavo, prevedendo un avanzamento con mezza sezione, considerato che la falda interessa oltre i 2/3 dell altezza di scavo complessiva. 116.0 114.0 MM5 PIEZOMETRI GARIBALDI - BIGNAMI P10/5M (Istria) P12/5M (Ca granda) S.I 1 (Bicocca) PZ4 ( U3 ) PZ 5 ( U3 ) PZ 6 ( U3 ) PZ 3 ( U3 ) PZ 11 (Como) PZ 9 (Ferrari) P24 Zara PZ 7 (Istria) 112.0 110.0 108.0 106.0 104.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 Figura 2. Andamento delle misure piezometriche nella tratta Garibaldi- Bignami (2006 2012) 2.2 Presenza di strati di materiale sabbioso a quote scavi di galleria Lo scavo della mezza sezione delle gallerie dal manufatto Ferrari ha messo in luce la presenza di strati di materiale prevalentemente sabbioso - con percentuali di sabbia talvolta superiori all 80% e con frazioni limose importanti; inoltre, la falda nella sua risalita già menzionata ha interessato gli strati di terreno al di sopra ed in corrispondenza della quota di appoggio delle centine, la cui composizione granulometrica è risultata spesso costituita da sabbia pressoché pulita, quasi monogranulare. I risultati delle indagini geotecniche hanno permesso di redigere un profilo stratigrafico di dettaglio e di ricostruire la posizione e l estensione delle lenti sabbiose effettivamente riscontrate nella tratta in esame; tali dati sono risultati di grande utilità per mettere a punto il sistema di consolidamento da adottare al contorno della galleria, come descritto nel successivo 3.2. 2.3 Analisi e quantificazione degli effetti di interazione scavo-preesistenze di superficie Il progetto esecutivo della galleria ha richiesto lo sviluppo di analisi specifiche per la definizione delle sezioni di scavo e dei relativi sistemi di consolidamento, in modo da garantire margini di sicurezza adeguati nei confronti dell integrità statica - funzionale delle preesistenze di superficie e nel sottosuolo. - 3 -
L analisi di interazione tra scavo delle gallerie e fabbricati è risultata quindi strumento decisivo per verificare l affidabilità delle soluzioni progettuali di scavo e definire le soglie dei parametri da monitorare durante lo scavo, attraverso apposita strumentazione da installare sugli edifici. Le analisi di interazione terreno struttura sono state condotte adottando sistemi via via più sofisticati. Una prima stima dei cedimenti indotti al piano campagna dallo scavo di gallerie metropolitane nel territorio comunale di Milano è stata eseguita raccogliendo talune case histories ben documentate in merito a subsidenze misurate nel corso dell esecuzione sia del Passante, sia della Linea M3. A queste si sono aggiunti i più recenti dati del monitoraggio in alcuni tratti della Variante Garibaldi della Linea M5, lavori già ultimati e a diretta conoscenza degli autori (Peri et al., 2011). Stabilito l ordine di grandezza dei cedimenti al p.c. indotti dallo scavo GN ed elaboratone un range di variabilità, in modo da definire i valori soglia di riferimento minimi e massimi, l entità del danno potenziale indotto dallo scavo è stata determinata in prima fase attraverso metodi semi-empirici sia in condizioni di campo libero (free-field), sia prendendo in conto l effetto delle rigidezze degli edifici (Figura 3). Figura 3. Esempi di analisi di primo livello Considerati i limiti di applicabilità dei metodi semi-empirici allo studio di edifici alti, si è proceduto con un ulteriore livello di analisi per la torre, avvalendosi di un modello di calcolo ad elementi finiti tridimensionale, implementato con il codice STRAUS7 (Figura 4). In questo secondo livello di analisi, l edificio è discretizzato con elementi trave (pilastri) ed elementi piastra (solai e fondazioni), mentre il terreno è schematizzato con elementi solidi tipo brick, modellazione che ha permesso di verificare in modo quantitativo gli effetti generati in fondazione e in elevazione dai possibili campi di spostamenti: - ricostruiti mediante le analisi di primo livello sopra descritte, ipotizzando un range di spostamenti possibili tarati sulla base di una raccolta dati inerenti esperienze similari di gallerie scavate in ambito urbano, sia sopra che sotto falda, in fregio ad edifici anche di notevole importanza e altezza; - analisi alle differenze finite (codice di calcolo Flac 2D - Itasca.Inc), simulando i cedimenti attesi a p.c. al variare di fasi esecutive, tipologie o intensità dei consolidamenti al contorno di scavo. Figura 4. Il modello a elementi finiti per le analisi di secondo livello - 4 -
Dal confronto fra i casi reali e i modelli numerici è stato possibile definire un campo probabile di spostamenti indotti dallo scavo in superfice e sull edificio, all interno del quale indagare la risposta strutturale del fabbricato e stimare l entità del danno potenziale indotto nei vari scenari di cedimento ottenuti all avanzare dello scavo, definendo in modo coerente le soglie di attenzione di allarme per il monitoraggio in corso d opera ed eventuali interventi correttivi tesi a minimizzare gli effetti dello scavo. 3 Descrizione delle soluzioni progettuali 3.1 Definizione delle sezioni di scavo 1) Nel tratto interferente con i due edifici descritti in premessa, al contorno di scavo è stata prevista la formazione di una fascia di terreno consolidato dello spessore di circa 3 4 m in calotta e 4 5 m in arco rovescio (a.r.), realizzato con iniezioni cementizie integrate. A tale guscio trattato è demandata la funzione di impermeabilizzare lo scavo nonché limitare il detensionamento dell ammasso e la formazione di una conca di subsidenza, in misura compatibile con la salvaguardia dei fabbricati soprastanti la galleria. Il rivestimento di prima fase è costituito da centine HEA 180 a passo 0.8 m e da 20 cm di spritz beton armato con rete 6 15x15. Il rivestimento definitivo in calcestruzzo armato presenta spessore di 0.8 m in chiave a.r., e da 0.7 a 1.5 m circa in chiave calotta. L incremento di spessore in calotta è determinato dalla riprofilatura scavo necessaria a creare lo spazio di manovra sopra quota falda per poter eseguire le iniezioni dal fronte in avanzamento. La geometria della sezione ottenuta è illustrata in Figura 5; sono visibili il sovraspessore di calotta e la particolare conformazione curva dei piedritti, progettata al fine di contenere durante la fase di ribasso i fenomeni di plasticizzazione al contorno dovuti alla pressione dell acqua ed ai carichi in fondazione determinati dai fabbricati. EDIFICIO VIA TAZZOLI AC HOTEL CORPO B Figura 5. Sezioni tipo di consolidamento in avanzamento e da piano strada Con riferimento alla Figura 5, il consolidamento al contorno del cavo è stato realizzato adottando due schemi di trattamento: 1) Consolidamenti in avanzamento: nel tratto interferente con la linea tranviaria di via Farini e con l edificio di via Tazzoli N.3, le operazioni di consolidamento della mezza sezione superiore sono avvenute in avanzamento per campi successivi. Una volta realizzato lo scavo di calotta, il trattamento in arco rovescio è stato eseguito dal piano di scavo della mezza sezione. In generale, il criterio seguito per i trattamenti della mezza sezione superiore sotto fabbricati prevede di avere in ogni sezione almeno tre corone sovrapposte di fori da cui eseguire le iniezioni, in modo tale da poter contare su un certo spessore di trattamento anche in caso di non apertura di qualcuna delle valvole di iniezione. La lunghezza dei campi di scavo è stata fissata in 10 m; - 5 -
2) Consolidamento dal piano campagna: nei tratti privi di interferenze in superficie si è proceduto con il consolidamento di tutto il contorno della galleria a partire dal piano campagna. Le geometrie di iniezione e scavo sono state elaborate in modo tale da poter variare le strategie di lavoro in corso d opera a seconda delle indicazioni derivanti dai monitoraggi o di difficoltà riscontrate in fase di perforazione/iniezione, p.es. in presenza di strutture di fondazione o provvisionali dell ACH (paratie di perimetrazione scavi edificio). Queste strutture infatti hanno costituito un serio condizionamento allo sviluppo progettuale e realizzazione di raggiere di consolidamento ottimali, pertanto in progetto si è previsto di innalzare il profilo di scavo in calotta lungo tutta la tratta, così da poter adottare la soluzione tipo 1), qualora necessario, secondo un approccio tipicamente osservazionale. 3.2 Analisi di iniettabilità dei suoli, definizione delle miscele e aspetti esecutivi delle iniezioni Esclusa la possibilità di utilizzare i trattamenti colonnari in jet grouting nelle sezioni consolidate in avanzamento, per i motivi legati all innalzamento della falda con conseguente progressivo restringimento della sezione utile, e valutati i vantaggi della tecnologia delle iniezioni per i tratti consolidati dall alto sotto i fabbricati, è stato compiuto un attento studio dell iniettabilità dei suoli. E apparso subito evidente, infatti, che solo una esecuzione a regola d arte delle stesse avrebbe consentito lo scavo della galleria nelle condizioni previste in progetto. Il terreno di Milano nei primi 20 25 m di profondità (al di sotto dei primi metri di riporto superficiale) è caratterizzato da ghiaie sabbiose con intercalazioni di materiale decisamente sabbioso, talvolta con frazione limosa non trascurabile. Le miscele previste in progetto, cementizia fine e silicatica, hanno un limite indicativo di penetrabilità rappresentato rispettivamente dalle due curve granulometriche 2 e 3 di Figura 6, in cui sono riportate anche le granulometrie di alcuni campioni di terreno interessati dallo scavo della galleria. La curva 1 è invece tipica di una miscela cementizia con cemento normale, adatta a trattare terreni ghiaiosi con scarsa frazione di materiale sabbioso o più fine. Affinché un terreno possa essere consolidato efficacemente con un tipo di miscela, è necessario che la sua curva granulometrica si trovi a sinistra della curva di penetrabilità della miscela esaminata almeno con il 90% del materiale che lo compone. Il restante 10% di materiale può essere più fine. Il terreno da trattare nel caso in esame ha in generale un fuso granulometrico che ricade tra le curve 2 e 3, per cui si procede con iniezioni di prima fase con miscela cementizia fine per riempire i vuoti maggiori dovuti alla parte di ghiaia comunque rilevante. La miscela silicatica integra in seconda fase l iniezione precedente andando a trattare i vuoti più fini entro le frazioni sabbiose. Vista la presenza di terreni con percentuali di frazione limosa prossima ai limiti di iniettabilità, lo sviluppo del progetto esecutivo di consolidamento è stato effettuato prevedendo gli accorgimenti descritti di seguito: a) il maggior grado di finezza del terreno ha imposto una riduzione del raggio di azione efficace del trattamento, con riduzione dei quantitativi specifi di miscela iniettati; in tal modo si aumenta l omogeneità del trattamento e si riducono i rischi di rottura del terreno e di sollevamento, maggiori quando si devono iniettare quantità maggiori di miscela attraverso una stessa valvola; b) il terreno più fine ha richiesto l iniezione di maggiori quantitativi di miscela silicatica più penetrante, con contemporanea diminuzione di miscela cementizia; c) i parametri operativi di iniezione, cioè portata e pressione, sono stati mantenuti entro campi di valori tali da garantire la riuscita del trattamento, ciò che in genere comporta un aumento dei tempi di iniezione. La portata istantanea è stata limitata a 400 lt/h per iniettore, sia per la miscela cementizia che per la silicatica. Evitando un pompaggio veloce si riduce il rischio di formazione di un onda di sovrappressione che tende a rompere il terreno e a disperdere la miscela lontano dalle zone di interesse. Inoltre, ci si cautela anche rispetto alla formazione di macchie di miscela in pressione liquida che agiscono come martinetti, provocando sollevamenti non tollerabili specie sotto o in fregio agli edifici. Un buon risultato in termini di omogeneità del trattamento si ottiene controllando attentamente la pressione di rifiuto, ovvero la pressione da non superare per evitare di innescare la rottura nel terreno che porta le conseguenze appena descritte (Balossi Restelli, 1981); d) affinchè il trattamento sia efficace, i parametri reologici delle miscele, in particolare la silicatica, devono essere attentamente analizzati durante tutta la fase di iniezione. Sulla miscela silicatica sono state effettuate numerose prove, allo scopo di verificare che la viscosità iniziale ( 8 cp) e la stabilità (lavorabilità) rimanessero entro valori accettabili per un periodo di tempo sufficiente a permettere la miscelazione dei componenti all impianto centrale, l invio agli iniettori al fronte di lavoro e l iniezione della miscela nelle valvole (50 60 min con viscosità 12 cp). Il parametro critico è la temperatura dei materiali da miscelare, influenzata dalla temperatura ambiente. Sono stati intensificati i controlli dei parametri di viscosità e del tempo di presa (nonché sul peso della miscela), per interventi tempestivi sui dosaggi in funzione delle condizioni di temperatura reali. - 6 -
percentuale inferiore a D 100% ghiaia sabbia limo argilla 60 2..06.002 90% 80% 70% 60% 50% 2 3 G2 - CAMPIONE-E (da 107.83m a 107.33m) G2 - CAMPIONE-B (da 105.83m a 105.33m) G2 - CAMPIONE-F (da 104.83m a 104.33m) G2 - CAMPIONE-A (da 103.33m a 102.83m) G2 - CAMPIONE-G (da 101.83m a 101.33m) 40% 30% 20% 10% 1 0% 100 10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 diametro dei grani D Figura 6. Curve granulometriche e analisi di iniettabilità su campioni di terreno interessati dallo scavo Le operazioni di consolidamento del contorno della galleria (Figura 7) si sono svolte sia dal piano strada, sfruttando le aree antistanti l hotel, sede della tranvia interrotta per la costruzione della limitrofa stazione Garibaldi, sia in avanzamento, dal fronte di scavo sotto via Farini e l edificio di via Tazzoli. In Figura 7, sul fronte di scavo a mezza sezione al di sotto dell ACH, è evidente la presenza dello strato sabbioso-limoso molto fine in corrispondenza delle reni di calotta, sede dell appoggio delle centine. Strato sabbioso-limoso in corrispondenza delle reni della galleria Figura 7. Consolidamenti al contorno di scavo: -- a) panoramica dell area di cantiere per le iniezioni dal piano strada davanti all AC Hotel -- b) fronte di scavo della mezza sezione al di sotto dell AC Hotel (in evidenza lo strato sabbioso-limoso in corrispondenza delle reni di calotta) 4 Metodo osservazionale e piano di monitoraggio 4.1 La scelta del metodo osservazionale L insieme delle analisi di tipo geologico e geotecnico e di iniettabilità dei suoli, unite alla modellazione analitica e numerica del problema di interazione tra scavo e strutture di superficie, descritte nei paragrafi precedenti, ha portato a scegliere un approccio osservazionale ed ha permesso di: - definire le sezioni tipo di scavo e le modalità di avanzamento, ma anche l entità del danno potenziale indotto sui fabbricati nei vari scenari di cedimento all avanzare dello scavo; - elaborare le soglie di attenzione e di allarme da utilizzare quale riferimento per valutare l efficacia delle soluzioni progettuali; - predisporre in progetto gli eventuali interventi correttivi per minimizzare gli effetti sulle preesistenze; - definire le modalità operative con cui effettuare il monitoraggio; - scegliere la strumentazione da utilizzare, nonché definire i protocolli di gestione dei dati. - 7 -
E subito apparso evidente, infatti, come a fronte della complessità degli interventi necessari per la realizzazione delle opere M5, e delle oggettive limitazioni nella base conoscitiva delle preesistenze, non esistessero metodologie di progetto e di calcolo in grado di effettuare una predizione degli effetti di interazione assolutamente certa: in simili casi il metodo osservazionale costituisce l unico strumento efficace per la validazione delle analisi condotte e la messa a punto in corso d opera delle strategie alternative di iniezione/scavo. Naturalmente le soglie di spostamento definite in sede di progetto sono state considerate come valori di primo tentativo che, in funzione delle successive determinazioni sperimentali, sono state aggiornati al procedere dello scavo secondo una logica, appunto, di tipo osservazionale, così come definita nel D.M. 08 al 6.2.4. 4.2 Architettura del piano di monitoraggio I principi sui quali si è articolato il sistema di monitoraggio sono i seguenti: - i due edifici sono stati monitorati con livellazione ottico-manuale, e per l ACH anche in continuo con strumentazione elettronica (Figura 8), in modo da quantificare i cedimenti assoluti e differenziali, nonché le rotazioni rigide subite dai corpi di fabbrica. Data la posizione reciproca del tracciato della linea M5 e dei fabbricati, non è stato possibile installare strumentazione anche nel terreno (p.es. tubi inclinometrici) per lettura di deformazioni e spostamenti sul lato galleria interferente con gli edifici; - all interno della galleria di linea M5, durante le operazioni di scavo sono state effettuate misure di convergenza al contorno del cavo e livellazioni topografiche su caposaldi ancorati alle centine, per mettere in relazione le letture dei movimenti dei fabbricati con le convergenze all interno del cavo. Il sistema di monitoraggio messo a punto per i due fabbricati è stato inserito all interno di un più ampio piano di controllo che interessa numerosi edifici ed infrastrutture nell intorno dell asse della galleria di metropolitana e della stazione Monumentale. 4.3 Strumentazione installata I caposaldi per le livellazioni di precisione, costituiti da un chiodo in acciaio inox o alluminio reso solidale alle strutture portanti e protetti con adeguati pozzetti, sono stati installati a piano strada intorno al perimetro dell ACH e dell edificio di via Tazzoli, in modo da consentirne una lettura agevole. Figura 8. Sistema di monitoraggio AC Hotel ed edificio di via Tazzoli Per il monitoraggio in continuo dei possibili cedimenti differenziali e delle rotazioni rigide sono state installate catene livellometriche idrauliche. Per l ACH sono state previste due catene indipendenti (una per il corpo basso del fabbricato ed una per la torre ) all interno del 2 piano interrato adibito a parcheggi. I cedimenti differenziali tra le tazze generano variazioni del livello del liquido contenuto allo interno, misurate tramite celle di carico dotate di trasduttore elettrico di elevata precisione (risoluzione pari a 0,01mm), montato sotto la tazza ed all interno della scatola protettiva che racchiude l insieme. - 8 -
Per il controllo della verticalità della torre, è stato installato un pendolo diretto lungo la scala di emergenza esterna, protetto mediante idonea incamiciatura fissata sul muro portante esterno della scala stessa, così da evitare disturbi legati per esempio a correnti d aria (Amagliani et al., 1991). Un apposita centralina meteo alla sommità dell edificio ha permesso di rilevare in continuo i dati di temperatura dell aria e il vento. 4.4 Quantificazione dei valori soglia Le soglie di attenzione e di allarme (Tabella 1) sono state elaborate sulla base delle analisi di interazione descritte al 2.3, definendo i valori di riferimento sia per le operazioni di iniezione, sia per quelle di scavo. Inoltre sono state definite delle soglie di pericolo, cui è stata associata un apposita procedura di intervento, messa a punto a garanzia della proprietà dell albergo. STRUMENTO Tabella 1. Valori delle soglie di attenzione e di allarme Torre AC Hotel PARAMETRO PRECISIONE ATTESA VALORI DI SOGLIA ATTENZIONE ALLARME PERICOLO Caposaldi a p.c. Cedimenti assoluti 0.1mm ±10 mm ±20mm -- Caposaldi su edificio Tazze livellometriche Pendolo Cedimenti assoluti/ Differenziali Cedimenti differenziali Spostamenti indotti da rotazioni 0.1mm ±5 mm /L 1/2000 ±15 mm /L 1/1000 ±30 mm /L 1/300 <0.4% f.s. /L 1/2000 /L 1/1000 /L 1/300 0.1 mm ±5 mm ±25mm ±50 mm In via cautelativa, considerata l importanza degli edifici, la delicatezza di alcuni elementi di finitura (quali ad esempio le pareti ventilate esterne), ed i margini di incertezza relativi alle strutture portanti, si è associata la soglia di allarme al valore di cedimento verticale 15 mm. Per il corpo basso dell hotel sono state adottate le stesse soglie indicate per il corpo a torre, sulla scorta delle analisi condotte e considerato che il corpo B sarebbe stato interessato per primo dallo scavo della galleria, e quindi sarebbe stato possibile utilizzarlo come banco di prova, sia per la messa a punto del sistema di iniezione e avanzamento, sia per la valutazione della corretta rispondenza alle ipotesi di progetto. 4.5 Protocollo di gestione dei dati In assenza di anomalie nelle letture o di evoluzione delle stesse verso i valori di allarme, le misure topografiche manuali sono state impostate con cadenza bi-settimanale. Al contrario, la strumentazione in continuo ha permesso di acquisire letture con cadenza ogni 30 minuti, adeguatamente ridondante ai fini pratici. I dati del monitoraggio in continuo sono stati resi disponibili su apposito portale accessibile via Web e i valori delle soglie di attenzione e di allarme sono stati associati a specifici codici di allarme, diramabili all occorrenza in tempo reale alla Direzione di Cantiere e alla Direzione Lavori. 5 Criticità e controllo delle previsioni progettuali in corso d opera L innalzamento della quota di falda, la presenza di materiale sabbioso-limoso fine ed i cedimenti misurati a carico dell edificio di via Tazzoli n. 3 durante lo scavo di calotta hanno comportato particolare prudenza nell esecuzione dei trattamenti di consolidamento in arco rovescio, rendendo opportuna l adozione delle seguenti procedure: a) l analisi giornaliera dei rapporti di iniezione, contenenti le pressioni e i quantitativi di miscela iniettati, con particolare riferimento agli assorbimenti di terza passata silicatica, per esecuzione sistematica di fori integrativi di iniezione, qualora il controllo evidenziasse assorbimenti di miscela inferiori agli obiettivi prefissati. In tal modo sono state individuate le zone di a.r., probabilmente interessate da strati di sabbie monogranulari fini, da integrare con ulteriori iniezioni chimiche attraverso detti fori per colmare i vuoti residui ed assicurare consolidamento uniforme e buona impermeabilizzazione; b) frequenti verifiche in cantiere per controllare le caratteristiche della miscela (in termini di viscosità e peso di volume), in modo tale da poter intervenire tempestivamente sulla taratura sia delle modalità di iniezione, sia dei quantitativi di miscela iniettati; c) realizzazione dal piano della mezza sezione di quattro tamponi aggiuntivi, ed integrazione dei consolidamenti in a.r. su tutta la tratta con colonne sino al piano di imposta delle raggere. - 9 -
28/12/10 11/01/11 25/01/11 08/02/11 22/02/11 08/03/11 22/03/11 05/04/11 19/04/11 03/05/11 17/05/11 31/05/11 14/06/11 28/06/11 12/07/11 26/07/11 09/08/11 23/08/11 06/09/11 20/09/11 04/10/11 18/10/11 01/11/11 15/11/11 29/11/11 13/12/11 27/12/11 10/01/12 24/01/12 07/02/12 21/02/12 06/03/12 20/03/12 03/04/12 17/04/12 01/05/12 15/05/12 29/05/12 12/06/12 26/06/12 10/07/12 24/07/12 Spostamenti [mm] Scavo calotta da 048 a 038 Scavo calotta da 038 a 028 Scavo calotta da 028 a 017.40 Scavo calotta da 017.40 a +002 Inizio scavo ribasso progr. +048 Fine scavo ribasso progr. 000 Tutto ciò ha permesso di limitare ulteriormente le venute d acqua all interno del cavo e di consolidare il fronte impedendone il rilascio, così da ridurre il più possibile i cedimenti dei fabbricati interferiti. PUNTI: 205-206 - 207-208 - 209 Iniezioni in avanzamento II^ tratta Iniezioni in avanzamento III^ tratta Iniezioni in avanzamento IV^ tratta + Iniezioni arco rovescio R1 R18 Iniezioni a.r. R19 R31 + Integrazione a.r. ragg. addiz. R1b R18b Inizio scavo AC Hotel 207 209 205 206 208 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 -6-7 -8-9 Figura 9. Diagramma dei movimenti dei capisaldi 205 209 solidali all edificio di via Tazzoli Dal diagramma di Figura 9, che rappresenta gli spostamenti dei capisaldi 205 209 solidali all edificio di via Tazzoli (depurati delle letture anomale del caposaldo 208) è possibile osservare che: - l iniezione in avanzamento della calotta ha provocato sollevamenti massimi di circa 3 mm; - la fase di scavo di calotta ha indotto cedimenti massimi intorno ai 5 6 mm (con un massimo di 8 mm allo spigolo fabbricato, caposaldo 206), ancora compatibili con la soglia di allarme prefissata; - una volta terminata la fase di iniezione dell a.r., eseguita mettendo in opera tutti gli accorgimenti elencati in precedenza, lo scavo di ribasso non ha comportato ulteriori significativi cedimenti. In corrispondenza dell ACH, talune difficoltà sono state inizialmente riscontrate sotto il corpo B ove, per il peso ridotto del fabbricato e la presenza di strati di terreni fini, si sono osservati pronunciati sollevamenti fin dalle prime fasi di iniezione. Sono state quindi elaborate alcune contromisure, tra cui: a) la diminuzione del numero degli iniettori (massimo 2 agenti contemporaneamente) e delle portate iniettate in corrispondenza delle zone più critiche e, dove necessario, la sospensione temporanea delle lavorazioni in zone particolarmente sensibili ; b) la limitazione delle percentuali di miscela cementizia di seconda passata, lasciando invariati i quantitativi delle miscele silicatiche più permeanti e quindi più idonee a contenere i sollevamenti del piano campagna e del fabbricato; c) la modifica, a seconda delle necessità e della risposta della strumentazione di monitoraggio, della sequenza di iniezione, al fine di andare a sollecitare il meno possibile il terreno al di sotto di tale corpo più basso e leggero della struttura. Inoltre, considerati i risultati soddisfacenti ottenuti per l edificio di via Tazzoli 3, l innalzamento della quota di falda ha consigliato - per le stesse ragioni - di predisporre ed effettuare anche per la tratta interferente con l ACH una serie di integrazioni ai consolidamenti previsti nel progetto iniziale, tra cui: 1) la realizzazione, da piano campagna, di quattro tamponi in arco rovescio, per limitare l ingresso di acqua dal fronte durante le fasi di scavo e di un tampone massivo di iniezione a fine lotto, per poter sospendere temporaneamente in sicurezza lo scavo; 2) integrazione dei consolidamenti con colonne continue in attraversamento della sezione di scavo della galleria (anche alternate). - 10 -
21/06/11 05/07/11 19/07/11 02/08/11 16/08/11 30/08/11 13/09/11 27/09/11 11/10/11 25/10/11 08/11/11 22/11/11 06/12/11 20/12/11 03/01/12 17/01/12 31/01/12 14/02/12 28/02/12 13/03/12 27/03/12 10/04/12 24/04/12 08/05/12 22/05/12 05/06/12 19/06/12 03/07/12 17/07/12 31/07/12 14/08/12 28/08/12 11/09/12 25/09/12 09/10/12 23/10/12 06/11/12 Spostamenti [mm] Termine getto calotta Punti in superficie: 108-109-110-162-163-111 II^ passata cementizia R37 R76 + III^ passata chimica R37 R40 III^ passata chimica raggere R41 R76 Scavo calotta Pr. 000-068 Scavo di ribasso Pr. 000-068 17,0 16,0 15,0 14,0 13,0 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 108 109 110 162 163 111 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0-1,0-2,0 Figura 10. Diagramma dei movimenti dei capisaldi superficiali 108 111 e 162 163 solidali all AC Hotel Per quanto riguarda l AC Hotel nel suo complesso, osservando il diagramma in Figura 10, che riporta l andamento dei capisaldi topografici 108 111 e 162 163 lato scavo, si può dedurre che: - i sollevamenti in fase di iniezione sono stati contenuti mediamente entro i 5 6 mm sul corpo torre A, più alto (caposaldi 108,109), mentre sul corpo B (caposaldi 110,162,163) hanno raggiunto mediamente 14 mm; il solo caposaldo di spigolo 111 ha raggiunto i 17 mm, superando la soglia di allarme senza tuttavia generare alcun tipo di danno, neppure estetico, sulla struttura; - i cedimenti dovuti al successivo scavo sono risultati inferiori ai precedenti, mediamente intorno ai 3 4 mm sulla torre e ai 6 7 mm sul corpo basso, in linea con le previsioni progettuali. L entità dei cedimenti ottenuti è stata confermata anche dai risultati del monitoraggio del sistema assestimetrico. Infine, l andamento delle misure effettuate con il pendolo ha dimostrato in modo certo l avvenuta stabilizzazione del corpo A; in Figura 11 si osserva che l inclinazione di detta torre si è evoluta durante le fasi di iniezione e scavo, per tornare a fine lavori quasi nella stessa posizione di partenza. Figura 11. Inclinazione del pendolo durante il progredire degli interventi - 11 -
6 Conclusioni Sulla base delle evidenze del monitoraggio, e con le integrazioni ai trattamenti di iniezione sopra descritti, grazie anche alla perizia dei vari operatori coinvolti ed alla stretta collaborazione con gli specialisti si è potuto procedere allo scavo della galleria in modo celere ed in sicurezza, in assenza di venute d acqua significative, salvaguardando così l integrità degli edifici interferenti, assai sensibili. Al termine dei lavori è inoltre possibile affermare che il modello di previsione progettuale e la corretta esecuzione degli interventi hanno trovato ottime rispondenze sia nei valori di cedimento misurati che nella rotazione rigida delle strutture. Infine, l analisi del complesso delle misure effettuate mostra l avvenuta stabilizzazione degli edifici dopo la realizzazione del rivestimento definitivo della galleria. In situazioni così particolari è necessario un controllo continuativo delle operazioni per poter adeguare la gestione delle operazioni stesse in funzione di quanto il terreno trattato stesso comunica: basilare, e non sempre facile, risulta la percezione di questi segnali che arrivano dai dati tratti dal monitoraggio, integrati con quelli segnalati dalle reazioni del terreno tramite il costante controllo dei quantitativi e pressioni nel corso delle iniezioni delle differenti miscele impiegate. 7 Ringraziamenti Si ringrazia l ing. Maria Antonietta De Palma per la collaborazione in cantiere e nell elaborazione dei dati. Per Astaldi, un particolare ringraziamento va all intera struttura coinvolta, citando qui per tutti il Direttore Tecnico C. Magnante, i Direttori di Cantiere (S. Grosina, G. Lomio) ed i capi cantiere, Geom. M. Delle Vedove e Geom. M. De Angelis, per la competente ed attenta gestione delle operazioni e l interlocuzione continua di collaborazione con progettisti e specialisti, nonché il Geom. A. Negri con i suoi collaboratori topografi, il cui apporto ha reso possibile il successo dell intervento e questo articolo. 8 Bibliografia Amagliani U., Balossi Restelli A. 1991. Movimenti di un grattacielo interessato dallo scavo di una grossa stazione metropolitana nella città di Milano. Proceedings of the International Conference on Soil and Rock Improvement in Underground Works, Milan, vol. 1, 291-309. Balossi Restelli A. 1981. Iniezioni in terreni sciolti. X Ciclo di Conferenze di Meccanica dei Terreni e Ingegneria delle Fondazioni, Metodi di Miglioramento dei Terreni, Politecnico di Torino, Turin. Canetta G., Cavagna B., Nicolini E., Nova R. 1997. Analisi degli spostamenti indotti dalle fasi di scavo di una galleria metropolitana. Rivista Italiana di Geotecnica, vol. 3-4/97, 41-55. Nicolini E., Nova R. 2000. Modelling of a tunnel excavation in a non-cohesive soil improved with cement mix injections. Computer and Geotechnics, vol. 27/2000, 249-272. Peri G., Galvanin P., Socci A., de Sanctis F. 2011. Metropolitana di Milano Linea 5: Progetto e monitoraggio di due attraversamenti in sotterraneo di Linee ferroviarie esistenti. Atti XXIV Convegno nazionale di geotecnica, Naples, vol. 2, 243-250. - 12 -