Metodi per la valutazione della stabilità del fronte in un problema di scavo di una galleria superficiale con TBM a scudo chiuso

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dei tempi e dei costi di trasporto che esso permette. Tuttavia, qualora i rischi connessi alla 
costruzione non siano gestiti adeguatamente, esiste il serio pericolo che la realizzazione di 
opere di questo genere possa avere un impatto potenzialmente enorme sull’ambiente 
circostante. Le criticità che i progettisti, i costruttori e tutti gli organi che gestiscono la 
realizzazione devono affrontare sono di diversa natura: (a) rischio geologico, (b) rischio 
progettuale, (c) rischio costruttivo, (d) rischio operativo, ed infine (e) rischio finanziario. 
La problematica fondamentale affrontata nel presente lavoro di tesi riguarda la 
stabilità del fronte e del volume scavato a tergo di esso, detto cavo, un problema che può 
essere collocato all’interno dei rischi costruttivi, in quanto principalmente connesso ad 
un’improvvisa variazione tensionale nel terreno. I rischi costruttivi possono infatti essere 
suddivisi in 5 categorie: 
(1) formazione di crateri fino in superficie, 
(2) collassi sotterranei, 
(3) espulsioni di roccia, 
(4) venute d’acqua. 
(5) collassi dei portali. 
La prima categoria è senza dubbio la più “spettacolare”, in cui il terreno scivola in una 
depressione che coinvolge il piano campagna; tale tipo di collasso è spesso dovuto 
all’erosione provocata dall’acqua sotterranea. La propagazione della rottura può essere 
molto veloce ed improvvisa, come mostra la Fig. 1.1: può accadere che strutture o mezzi 
presenti in superficie vengano di fatto inghiottiti nel cratere. 
 
       
Fig. 1.1: a) Incidente avvenuto durante lo scavo della metro di Monaco, Germania (1994); b) subsidenza 
causata dal collasso del tunnel avvenuto a Taegu, South Korea (Seidenfuβ, 2006) 
 
I collassi sotterranei invece si verificano nelle gallerie in costruzione e colpiscono sia gli 
operatori che i macchinari di scavo senza raggiungere necessariamente la superficie. Essi 
sono divisi a loro volta in: (a) crollo in chiave, (b) collassi di tipo cosiddetto “Stope”, (c) 
crollo laterale, e (d) instabilità del fronte scavo. Quest’ultimo fenomeno, localizzato nella
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che si vuole effettuare, limitandosi a fornire soltanto le informazioni essenziali 
richieste in sede di progetto e verifica. 
Questa tesi si propone due obiettivi, che verranno perseguiti con riferimento a un 
problema reale di tunneling in terreni sciolti. Il primo è uno studio critico di diverse 
tecniche per la valutazione in forma chiusa della minima pressione di sostegno da 
applicare al fronte scavo, e radialmente, per evitare fenomeni di instabilità del fronte. Il 
secondo è la definizione di un modello numerico, per lo studio del medesimo problema, 
che, almeno in parte, superi alcune delle difficoltà sopra elencate. 
A partire dall’applicazione dei metodi disponibili in letteratura, si vuole quindi 
dapprima approfondire il problema dell’instabilità (con particolare attenzione ai terreni 
incoerenti) dal punto di vista teorico. Con l’aiuto di un caso reale d’esempio, si vogliono 
quindi analizzare i più comuni metodi teorici, per confermarne l’attendibilità o per 
avanzare eventuali critiche, anche alla luce dei risultati numerici ottenuti successivamente. 
 Gli approcci analitici al problema della stabilità del fronte prevedono il ricorso a 
due diverse tecniche di calcolo: una prima si basa sui teoremi dell’Analisi Limite della 
Teoria della Plasticità, al fine di determinare un limite inferiore ed uno superiore del 
carico di collasso; una seconda, basata sull'imposizione di equazioni di equilibrio di tipo 
globale, nel rispetto delle funzioni di snervamento, si limita a fornire stime, senza valore di 
bound, dei carichi di collasso. Si vuole indagare se tali metodi siano o meno efficaci e tra 
loro congruenti ai fini della valutazione della stabilità. 
Per quanto riguarda l'approccio numerico, si è concentrata l'attenzione sulla 
modellazione sia del reale processo di scavo e avanzamento di TBM e posa del lining, sia 
sull'interazione esistente fra le diverse parti strutturali. Si è pertanto costruito un modello 
numerico tridimensionale in cui lo scavo del tunnel in terreno sciolto è stato simulato 
mediante diverse decine di passi di carico, in ciascuno dei quali si modella in modo 
esplicito la rimozione di un blocco di terreno, l'avanzamento della TBM e la posa del lining. 
Ogni parte strutturale del modello viene descritta in modo esplicito, senza ricorrere a 
condizioni al contorno artificiali. Tutte le analisi sono state svolte mediante il codice di 
calcolo commerciale ABAQUS (Hibbitt et al., 2013), in ambito tridimensionale. I risultati di 
tali analisi verranno discussi criticamente, e confrontati con le previsioni analitiche. Infine, 
sempre sulla base dei risultati numerici, verrà brevemente discusso un ulteriore 
problema, di particolare importanza: il calcolo dei cedimenti verticali in superficie e la 
stima del volume perso. 
La tesi contiene 7 capitoli. Il Capitolo 1 fornisce un’introduzione agli argomenti 
trattati, alle problematiche relative ai fenomeni di collasso e presenta gli obiettivi e gli
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scopi dello studio. Nel capitolo 2 è presentata una panoramica delle tecniche di tunnelling 
avanzato, tra cui la metodologia di scavo in tradizionale, e le diverse categorie di frese 
meccaniche. Particolare attenzione viene posta nell’evidenziare quali condizioni guidano 
le scelte progettuali e in particolar modo la scelta della tecnologia di scavo. Nel Capitolo 3 
si illustra sinteticamente un caso reale di tunnelling in ambito urbano. In particolare 
vengono prese in esame le condizioni geologiche che permettono di ricavare le grandezze 
geometriche delle sezioni caratteristiche, nonché i parametri geotecnici successivamente 
utilizzabili nei modelli analitici e nelle simulazioni numeriche per il calcolo dei cedimenti e 
la stima delle condizioni di sicurezza. Nel Capitolo 4 viene affrontato dal punto di vista 
teorico il problema della valutazione della stabilità del fronte; i risultati dell’applicazione 
al caso oggetto di studio sono confrontati nel Capitolo 5 con quanto ottenuto dalle 
simulazioni tridimensionali agli elementi finiti. Nel capitolo 6 si affronta inoltre il 
problema della stima dei cedimenti al piano campagna, con l’obiettivo di fornire alcuni dati 
di riferimento utili alla calibrazione del modello numerico. Nel capitolo 7 infine, si 
forniscono le principali conclusioni a cui è stato possibile giungere, in relazione alle 
aspettative e agli obiettivi prefissati in fase iniziale.
_____________________________________________ CAPITOLO 5: ANALISI FEM TRIDIMENSIONALE 
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Fig. 5.10: Andamento idrostatico degli sforzi verticali dopo il Geostatic Step 
 
 
 
Fig. 5.11: Step di primo Scavo 
 
 
Fig. 5.12: Quadro qualitativo degli spostamenti totali ottenuti al termine dell’analisi FEM
_____________________________________________ CAPITOLO 5: ANALISI FEM TRIDIMENSIONALE 
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Fig. 5.43: Schematizzazione di una particolare modellazione del processo di scavo 
 
Un altro modello comunemente adottato dai software commerciali prevede anch’esso la 
schematizzazione della TBM, del rivestimento definitivo messo in opera, e delle 
contropressioni al fronte e a valle della macchina, come si illustra in Fig. 5.44: 
 
 
Fig. 5.44: Schematizzazione degli elementi in opera durante l’avanzamento
____________________________________________________________________ CAPITOLO 7: CONCLUSIONI 
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Capitolo 7  
 
Nel presente lavoro di tesi sono stati affrontati alcuni aspetti legati allo scavo 
meccanizzato in terra di gallerie superficiali, con l’obiettivo principale di approfondire e 
confrontare tra loro i metodi teorici e numerici per la valutazione della stabilità del fronte, 
e di sviluppare modelli numerici più accurati di quelli sinora utilizzati in ambito 
ingegneristico che accademico.  
 La letteratura fornisce numerosi approcci al problema. Gli approcci teorici sono 
generalmente riconducibili all’Analisi Limite; tuttavia le ipotesi e le condizioni al contorno 
su cui le diverse teorie si fondano conducono ad un panorama delle conoscenze molto 
frammentato. Sono stati qui illustrati alcuni tra i metodi teorici che possono essere 
applicati nel caso specifico di avanzamento in terreni incoerenti. Si conferma che, note le 
ipotesi alla base, è possibile valutare la stabilità del fronte mediante procedimenti di 
calcolo semplificati e di facile applicazione. Il vantaggio di disporre di risultati facilmente 
interpretabili, in termini di carichi di collasso, si scontra tuttavia con l’impossibilità di 
conoscere lo stato tensionale all’interno dell’ammasso coinvolto dalle operazioni di scavo. 
Questi metodi, inoltre, interpretano la realtà attraverso l’imposizione di notevoli 
semplificazioni: sulla geometria, sul cinematismo del collasso, e sui parametri che 
regolano il comportamento del terreno. Si tralascia inoltre l’inevitabile l’effetto che la scala 
dei tempi comporta sulla stabilità del cavo.  
 Lo studio del metodo di Tamez (Tamez et al., 1997) ha evidenziato che questo è un 
procedimento di calcolo particolarmente “duttile”, perché può essere applicato sia a 
terreni sotto falda che in condizioni asciutte, per gallerie superficiali ma anche per tunnel 
profondi, e per ogni tipologia di terreno. I risultati ottenuti sono in linea con quanto 
ricavato dalle analisi agli elementi finiti; tuttavia è bene ricordare che, come sempre