TRAFORO DEL MONTE BIANCO DETERMINAZIONE DELLO STATO TENSIONALE DEL CALCESTRUZZO E DELLA ROCCIA A SEGUITO DELL INCENDIO VERIFICATOSI IL 24 MARZO 1999 PREMESSA Il Tunnel del Monte Bianco, inaugurato nel 1965, ha una lunghezza di 11.6 Km, la sua altezza è di 4.35 m e la larghezza è di 8 m. L ingresso lato Italia è a quota 1381 m, mentre quello francese è a 1271 m. rispetto alla frontiera il traforo passa all altezza de l Aiguille du Midi, dove lo spessore della copertura granitica raggiunge i 2480 m. A seguito dell incendio verificatosi il 24 marzo 1999 all interno del Tunnel del Monte Bianco, la società di gestione programmò l esecuzione di un indagine geologica-geomeccanica al fine di valutare lo stato delle strutture coinvolte e per fornire ai progettisti i parametri necessari per la ristrutturazione del Tunnel con la costruzione di nicchie e rifugi antincendio ad intervalli di 100 m. Ingresso lato Italia del Tunnel del Monto Bianco Le indagini, svolte in più fasi da settembre 1999 a marzo 2002, sono consistite nell esecuzione delle seguenti prove: Prelievo di campioni di calcestruzzo del rivestimento della galleria Prove con martinetto piatto nel calcestruzzo Sondaggi a carotaggio continuo sub-orizzontali Prove dilatometriche Prove doorstopper Prove geomeccaniche di laboratorio. 1
PRELIEVO DEI CAMPIONI DI CALCESTRUZZO I campioni di calcestruzzo sono stati prelevati al fine di valutare i danni causati dall incendio al rivestimento della galleria. In corrispondenza di 6 sezioni significative sono stati prelevati 10 campioni per ciascuna sezione, distribuiti come riportato nello schema allegato. Per il loro prelievo è stata utilizzata una carotatrice elettrica e più carotieri a pareti sottili diamantati di diametro variabile da 80 a 110 mm. Schema di prelievo dei campioni in corrispondenza di una sezione tipo Per ridurre al minimo le vibrazioni durante il carotaggio, con conseguente aumento della qualità dei campioni prelevati, è stato determinante l ancoraggio della carotatrice alle pareti della galleria, effettuato tramite una apposita piastra munita di uno snodo che consentiva di bloccare la carotatrice in qualsiasi posizione. Prelievo di un campione in calotta 2
Campioni di calcestruzzo prelevati nella zona dell incendio Campioni di calcestruzzo prelevati in zone non interessate dall incendio 3
PROVE CON MARTINETTO PIATTO Misura dello stato tensionale superficiale in sito con martinetto piatto Le prove con martinetto piatto sono state eseguite in posizioni tali da ottenere un quadro il più possibile completo ed esauriente sullo stato tensionale del rivestimento della galleria. Sono stati utilizzati martinetti piatti di forma semicircolare-ellittica con superficie nominale pari a 778 cm 2, spessore 3.5 mm, diametro semicircolare 350 mm, profondità 260 mm. Il taglio della struttura nella quale inserire il martinetto è stato effettuato per mezzo di troncatrice manuale con lama diamantata avente trasmissione eccentrica. Le misure delle deformazioni del rivestimento della galleria sono state effettuate per mezzo di un deformometro meccanico millesimale (sensibilità 0.001 mm). basi di misura taglio 100 mm 100 mm 350 mm Disposizione delle basi per la misura con deformometro Rilievo dello stato tensionale Le prove con martinetto piatto sono basate sulla misura degli spostamenti indotti dal rilascio tensionale nell intorno di un taglio normale alla superficie della struttura in prova ovvero in questo caso il rivestimento della galleria in corrispondenza dei piedritti e/o delle reni. 4
Il rilascio delle tensioni comporta, in caso di stato tensionale di compressione, una richiusura del taglio rilevabile attraverso misure di convergenza tra più coppie di punti posti in posizione simmetrica rispetto ad esso. Mediante l utilizzo del martinetto piatto inserito all interno del taglio e pressurizzato in modo da annullare la convergenza (ripristinando così, nell intorno del taglio lo stato tensionale originario) è possibile la misura delle tensioni agenti nella struttura nell area di prova. Martinetto con i manometri per la misura delle pressioni La pressione applicata al martinetto che riporta alle condizioni di deformazione precedenti al taglio è prossima alla tensione in sito, tenendo conto delle caratteristiche del martinetto (K m ) e del rapporto tra l area del martinetto in contatto con la muratura e l area del taglio. La tensione può essere quindi calcolata come segue: 1) f m = K m K a p dove K m = coefficiente di taratura del martinetto K a = rapporto tra area del martinetto ed area del taglio p = pressione nel martinetto per la quale si recupera lo stato di deformazione antecedente al taglio (MPa) GRAFICO PRESSIONE-DEFORMAZIONE MEDIA BASI B E C 5 4,5 4 3,5 3 Grafico pressionedeformazione con pressione di ripristino a 4 bar P (bar) 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,06-0,05-0,04-0,03-0,02-0,01 0,00 0,01 DL (mm) 5
SONDAGGI A CAROTAGGIO Per la realizzazione di nuovi rifugi antincendio sono stati eseguiti, in due fasi, 25 sondaggi a carotaggio continuo con inclinazione variabile da 25 verso l alto a 40 verso il basso. Nei fori di sondaggio sono state eseguite prove dilatometriche e prove doorstopper Sonda di perforazione posizionata su un sondaggio suborizzontale Modalità esecutive della perforazione Per ridurre al minimo il disturbo sulle carote e quindi per ottenere attendibili valori di TCR e di RQD (schede geomeccaniche), i sondaggi sono stati eseguiti a carotaggio continuo con circolazione di acqua utilizzando carotieri doppi di diametro 101 mm con corone diamantate a diverso grado di impregnazione. In prossimità dell imbocco lato Italia, caratterizzato da rocce argillitico-scistose spesso molto fratturate (vedi foto a lato) è stato usato il doppio carotiere T6, mentre nel massiccio granitico centrale (vedi foto seguenti) e nella zona dell imbocco francese con scisti occhiadini è stato impiegato il doppio carotiere T2 con corona impregnata a matrice molto tenera. 6
Sempre al fine di ridurre il più possibile il disturbo meccanico della roccia, le carote sono state estratte dal doppio carotiere mediante estrusione a pressione idraulica controllata. Esempi di struttura e tessitura del granito del Monte Bianco PROVE DILATOMETRICHE La prova dilatometrica viene eseguta all interno di un foro di sondaggio per definire le caratteristiche di deformabilità di un ammasso roccioso mediante l espansione della membrana elastica della sonda dilatometrica. La sonda dilatometrica, di diametro 96 mm e lunghezza 1 m, è costituita da un corpo in acciaio rivestito da una guaina armata che si deforma per effetto della pressione prodotta dall afflusso di azoto attraverso una tubazione flessione. La deformazione della guaina produce a sua volta l applicazione di una pressione sulla superficie laterale del foro, per la lunghezza di circa 1 m. 7
Le deformazioni della membrana, e quindi della parete rocciosa del foro, per effetto dell applicazione della pressione sono misurate mediante tre trasduttori di spostamento potenziometrici, disposti secondo tre direzioni a 120 nella zona mediana della sonda. La pressione all interno del dilatometro è misurata mediante un trasduttore situato a bocca foro sulla linea di alimentazione. Le variazioni di pressione e spostamento sono trasmesse mediante un cavo elettrico multiconduttore ad una centralina di alimentazione che si trova in superficie. Questi segnali, opportunamente amplificati, sono inviati ad un computer portatile per la loro registrazione (vedi figura). Elaborazione dei dati I valori dei moduli elastici e dei moduli di deformabilità nelle singole direzioni dei tre trasduttori sono stati calcolati impiegando la seguente relazione (ISRM Commission on testing methods, Suggested methods for deformability determination using a flexible dilatometer, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., Vol. 24, n, 2, 1987): E i = (1+v) [ PD 0 / D i ] E i = modulo elastico o di deformabilità nella direzione del trasduttore i-esimo [MPa] v = coefficiente di Poisson (assunto pari a 0,2) P = livello di pressione applicata [MPa] D 0 = diametro iniziale del foro (mm) D i = variazione diametrale corrispondente a P misurata dal trasduttore medesimo (mm) Grafico Pressione deformazione media 8
PROVE DOORSTOPPER Premessa Le prove consistono nella determinazione dello stato di sollecitazione (relativa) piana effettuate mediante sovracarotaggio. Rosetta incollata nel granito a fondo foro (4.8 m) Sono state eseguite in una prima fase 3 prove nel granito e successivamente 16 prove nel rivestimento in calcestruzzo del tunnel. Le prove nel granito sono state eseguite all interno di due fori di sondaggio sub-orizzontali a profondità comprese tra 3 e 5 m. I metodi di misura delle sollecitazioni relative utilizzano tecniche basate sulla determinazione delle deformazioni conseguenti al rilascio o al ripristino delle tensioni di parete. Nel caso in questione il metodo prescelto e utilizzato consiste nella registrazione delle deformazioni subite da un elemento sensibile (rosetta estensimetrica a quattro componenti orientati a 45 l uno dall altro in modo da coprire un arco di 135 ) a causa del rilascio delle sollecitazioni ottenuto mediante intaglio periferico della superficie sulla quale è cementato il sensore. In maggior dettaglio il punto di misura viene preparato eseguendo un carotaggio seguito dalla spianatura del fondo foro, mediante utensile diamantato, per favorire il successivo incollaggio della rosetta estensimetrica. L'elemento sensibile, in concomitanza con il suo incollaggio al fondo foro spianato, viene orientato secondo riferimenti certi. A cementazione avvenuta, dopo avere effettuato una prima misura di zero (mediante ponte estensimetrico), si procede al sovracarotaggio del sensore ed alla successiva misura. Attrezzatura L'attrezzatura per la conduzione delle prove di rilascio di tensione in parete è costituita da un insieme di strumenti necessari per la preparazione della sede di misura, per la realizzazione del sovracarotaggio e da una catena di misura (di tipo elettrico) per il rilievo delle deformazioni. Sonda di perforazione per le prove nel granito Carotatrice per le prove nel calcestruzzo 9
Per le operazioni di preparazione della sede di misura sono richiesti, oltre ad una sonda di perforazione, dotata di carotiere diamantato in parete sottile, una serie di spianatori frontali diamantati a grana di diversa dimensione. Occorre inoltre un dispositivo ad aria calda per l'essiccazione del fondo foro, una bussola ed una livella per definire l'appropriato orientamento del trasduttore rispetto alla superficie oggetto di studio. Per il rilievo delle deformazioni è stato utilizzato l elemento sensibile (doorstopper o rosetta) di forma cilindrica, avente diametro di 35 mm, e munito di quattro estensimetri elettrici formanti tra di loro angoli di 45 messo a punto presso lo CSIR (Council Scientific Industrial Reseach South Africa) da Leeman (figura 2). Sono inoltre stati impiegati adesivi di tipo ceramico a due componenti ed a pronta presa, un compensatore di deriva termica e tre diverse centraline di misura consistenti in un ponte di Weatstone di elevata precisione, alle quali vengono collegati in successione gli estensimetri dei quali si intende misurare la variazione di resistenza elettrica. Granito sovracarotato con rosetta incollata Le tre centraline impiegate durante le misurazioni Fase di inserimento della rosetta all interno del foro di sondaggio nel granito. 10
Elaborazione dei dati L'elaborazione dei dati misurati è stata condotta secondo lo schema di calcolo descritto in letteratura ed ha consentito di stimare lo stato di sollecitazione complessivamente in 16 differenti posizioni del rivestimento in calcestruzzo e in tre posizioni nel granito. Rosetta incollata nel calcestruzzo Sovracarotaggio 11
PROVE GEOMECCANICHE DI LABORATORIO La caratterizzazione meccanica di laboratorio dei campioni di roccia prelevati nei sondaggi ha riguardato la determinazione della resistenza a compressione monoassiale. La caratterizzazione meccanica di laboratorio dei campioni di calcestruzzo prelevati per l esecuzione delle prove doorstopper ha riguardato la determinazione della resistenza a compressione monoassiale C0; la determinazione delle costanti pseudoelastiche E, modulo di elasticità (tangente e secante), ν, coefficiente di Poisson (tangente e secante); la determinazione della resistenza a trazione indiretta con il metodo brasiliano. I campioni sono stati dapprima avviati alle consuete lavorazioni meccaniche necessarie per la realizzazione di provini di dimensioni standardizzate da sottoporre ai successivi saggi. Gli spezzoni di carota sono stati preliminarmente sottoposti all operazione di troncamento o sfacciatura, consistente nell esecuzione di due tagli eseguiti a distanza predeterminata, in direzione perpendicolare all asse della carota. Le basi dei provini sono state in seguito rettificate per mezzo di una fresatrice in modo da assicurarne il parallelismo reciproco e l ortogonalità rispetto all asse dei provini stessi. Operazioni di troncatura e spianamento dei provini di calcestruzzo Le prove di caratterizzazione meccanica sul calcestruzzo sono state condotte utilizzando una pressa rigida (10 7 kn/m) a controllo digitale di classe A, agente in circuito chiuso (closed loop) e con acquisizione automatica dei dati di prova. Tutti i sensori utilizzati nelle diverse determinazioni hanno precisione migliore dello 0.1% fondo scala. Tutte le determinazioni eseguite sono state effettuate in aderenza alle raccomandazioni tecniche dell International Society for Rock Mechanics (I.S.R.M.). Determinazione della resistenza a trazione indiretta (metodo brasiliano) (ISRM, 1978) La prova consiste nel portare a rottura un provino cilindrico (disco), avente rapporto altezza/diametro variabile tra 0.5 1, mediante l applicazione di un carico crescente, lungo generatrici diametralmente opposte. La sollecitazione di compressione del provino è attuata con una pressa sopra descritta. 12
La resistenza a trazione del materiale viene valutata attraverso il rapporto tra la forza necessaria a provocare la rottura del provino e le dimensioni geometriche dello stesso (T0 = 2F/πDH). Determinazione della resistenza a trazione indiretta (metodo brasiliano) secondo al normativa ISRM, 1978). L esame dei risultati ha consentito di notare una bassa variabilità nella determinazione della resistenza a trazione indiretta del materiale, soprattutto tenendo in conto il fatto che i provini sottoposti a saggio provenivano ciascuno da sezioni di prova diverse. Il valore medio misurato è pari a circa 4-5 MPa. Determinazione della resistenza a compressione semplice (monoassiale) (ISRM, 1978, 1979, 1983) La valutazione della resistenza a compressione semplice, usualmente denominata C0 (rapporto tra il carico massimo sostenuto e la sezione iniziale mediana resistente), si effettua somministrando allo stesso, a velocità controllata e sino alla sua rottura, una sollecitazione crescente di compressione agente nella direzione del suo asse maggiore. I provini da sottoporre alla prova hanno in genere forma cilindrica, con facce parallele tra loro e normali all asse longitudinale e rapporto altezza/diametro compreso tra 2.5 e 3. Determinazione della resistenza a compressione monoassiale, a sinistra attuatore di carico di compressione; a destra, equipaggiamento del provino per il rilievo delle deformazioni longitudinali e circonferenziali. 13