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Capitolo 1
Introduzione
La realizzazione di gallerie in ambiente urbano pone problematiche
specifiche legate all’esistenza di strutture in superficie e nel
sottosuolo. Pertanto, il progetto deve essere sviluppato con criteri e
soluzioni che assicurino la stabilità dello scavo e riducano i
risentimenti in superficie, entro limiti che preservino la sicurezza e la
funzionalità delle strutture all’interno della zona di influenza della
galleria. La previsione dei potenziali danni indotti dallo scavo diviene
quindi un elemento fondamentale della fase progettuale dell’opera.
Per il presente lavoro si è affrontato il problema della subsidenza e
dei danni indotti dallo scavo di una galleria urbana; nello specifico è
stato studiato il caso della galleria di Bologna, per il tratto compreso
fra il camerone Salesiani e la stazione Alta Velocità, realizzata nel
contesto del passante ferroviario della linea A.V./A.C. Milano-Napoli.
La galleria in esame è stata costruita mediante la tecnica di scavo in
tradizionale, a tal proposito se ne presentano nel secondo capitolo le
principali metodologie, ed i rispettivi principi base. Inoltre, vengono
descritti, riportandone anche esempi applicativi, gli eventuali
interventi di stabilizzazione e consolidamento che tali metodologie
possono richiedere.
Il fenomeno della subsidenza indotto dallo scavo di una galleria è
caratterizzato da spostamenti, verticali ed orizzontali, e deformazioni
che si manifestano nel terreno, sia trasversalmente che
longitudinalmente rispetto alla direzione di avanzamento dello scavo
stesso. Nel terzo capitolo si riportano le espressioni semi-empiriche,
fornite dalla letteratura, che descrivono tale fenomeno per condizioni
di campo libero, ovvero relative all’assenza di strutture interferenti
con lo scavo stesso.
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Il problema della valutazione del potenziale rischio di danno che gli
edifici e le strutture di servizio possono riportare, viene affrontato nel
quarto capitolo, presentando i principali parametri di riferimento sulla
base dei quali viene elaborata l’entità del danno, e la procedura
secondo la quale si giunge alla sua stima. In questo capitolo si
descrive in particolare il metodo suggerito da Burland (1995) per la
stima del rischio di danno, articolato in tre differenti fasi suddivise in
base al livello di dettaglio che le caratterizza. Le prime due fanno
riferimento a condizioni di campo libero, portando generalmente ad un
valore sovrastimato della stima del rischio di danno; la terza invece
considera l’interazione fra terreno e struttura permettendo in questo
modo di ottenere una valutazione maggiormente verosimile alla
situazione reale.
Per introdurre il caso reale, riferimento per lo sviluppo delle analisi
numeriche eseguite nel contesto di questo lavoro, al fine di valutare la
risposta deformativa del terreno allo scavo della galleria, si
descrivono nel quinto capitolo: l’inquadramento geografico; i contesti
geologico, idrogeologico e geotecnico del sito; il censimento di
eventuali preesistenze; la descrizione delle soluzioni tecniche adottate
come la tecnica di scavo impiegata e gli interventi di stabilizzazione e
consolidamento che sono stati effettuati; i dati di monitoraggio con i
quali si sono confrontati i risultati delle analisi numeriche.
Il sesto capitolo in una prima parte descrive il metodo degli elementi
finiti; successivamente vengono descritte le caratteristiche del un
modello numerico rappresentativo del caso reale oggetto di studio, e le
possibili tecniche di simulazione dello scavo della galleria.
Nel settimo capitolo vengono quindi presentati il procedimento che ha
portato alla definizione del modello numerico bidimensionale
utilizzato per le analisi definitive, i risultati ottenuti per differenti
valori imposti del volume della conca di subsidenza ed il loro
confronto con i dati provenienti dalle misure in sito.
Valutata in questo modo la risposta deformativa del terreno per le
condizioni di campo libero, si è proceduto all’elaborazione di una
stima preliminare del potenziale danno procurabile all’edificio RFI,
situato nell’area di influenza della galleria. Mediante l’approccio
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semplificato suggerito da Burland e Wroth (1974) e di Burland (1995),
l’edificio considerato è stato schematizzato attraverso il modello della
trave equivalente, al fine di poterne studiare l’interazione con il
terreno. Sulla base di osservazioni in sito è infatti verosimile ritenere
che il potenziale danno ipotizzato per le condizioni di campo libero
risulti notevolmente sovrastimato, non considerando che la rigidezza
ed il peso proprio della struttura modificano notevolmente la risposta
del terreno.
Allo scopo quindi di verificare l’influenza della rigidezza della
struttura sulla forma della conca di subsidenza, è stata svolta,
nell’ottavo capitolo, un’ulteriore analisi numerica a partire dal
modello definito nel capitolo precedente, nel quale è stato
implementato l’elemento trave elaborato sulla base delle
caratteristiche strutturali dell’edificio in esame.
Nel nono capitolo, infine, vengono esposte le considerazioni in merito
ai risultati ottenuti dalle analisi numeriche e dalla loro elaborazione.
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Capitolo 2
Metodi di scavo di gallerie urbane in
terreni sciolti
2.1 Metodologie di scavo in tradizionale:
Nuovo Metodo Austriaco e ADECO-RS
2.1.1 Nuovo Metodo Austriaco (NATM)
Il Nuovo Metodo Austriaco, messo a punto fra il 1957 ed il 1965 da
Pacher e Rabcewicz (Rabcewicz e Pacher, 1975), è una filosofia
progettuale e costruttiva che si fonda su criteri osservazionali;
richiede la classificazione dell’ammasso roccioso, basata sulla
descrizione delle condizioni di quest’ultimo all’atto dell’apertura del
cavo. A ciascuna classe di qualità dell’ammasso sono associati i
parametri geomeccanici di progetto, il sistema d’attacco, e la sezione
tipo da adottare, il cui dimensionamento finale è comunque deciso
durante la fase costruttiva, sulla base dell’andamento dei valori di
convergenza del cavo misurati.
Generalmente vengono utilizzati due tipi di sostegno: un rivestimento
primario, protettivo, studiato in modo da stabilizzare la struttura, che
consiste nella messa in opera di bulloni protetti da calcestruzzo
spruzzato, possibilmente rinforzato da rete metallica, centine ed arco
rovescio; e un rivestimento definitivo in calcestruzzo, generalmente
posto in opera dopo che il primo ha raggiunto l’equilibrio. Il
contributo della bullonatura alla portanza delle pareti di uno scavo
può essere schematizzato in due meccanismi collegati. Nel primo
meccanismo, il bullone, ancorato alla punta ad uno strato di roccia
meno disturbato e fissato alla testa ad una piastra di ripartizione, si
oppone agli spostamenti lungo la sua direzione, del cono di roccia
interessato dalla sua azione. Nel secondo, si distingue un
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comportamento di gruppo della bullonatura che, creando un anello di
roccia compresso, contribuisce a formare un arco di roccia portante,
con una maggiore capacità di resistenza alle azioni taglianti. Il
movimento dell’ammasso verso la cavità è in tal modo contrastato, ed
un effetto arco si instaura fra gli ancoraggi vicini. L’azione che i
bulloni esercitano dipende principalmente dagli allungamenti ad esso
imposti dalla roccia circostante. Come ulteriore misura di rinforzo
vengono impiegate delle centine d’acciaio, del tipo connesse con
giunti, che si sovrappongono, e fissate alla roccia mediante ancoraggi.
Le centine servono, in primo luogo, come protezione contro la caduta
di materiale per coloro che lavorano nella galleria, ed anche come
rinforzo locale per attraversare zone geologicamente deboli. In
ammassi rocciosi di caratteristiche molto buone, la riduzione delle
tensioni radiali, prodotta dallo scavo, può completarsi senza
apprezzabili deformazioni, e quindi, non si richiede un sostegno
sistematico. L’obiettivo essenziale di un sistema di sostegno, eseguito
secondo il metodo NATM, è quello di mantenere e mobilitare la
resistenza disponibile nell’ammasso roccioso, e di minimizzare i
carichi direttamente scaricati sugli elementi di sostegno.
Il procedimento secondo il quale viene sviluppata la capacità totale di
sostegno del sistema, e l’entità delle deformazioni con cui questa si
raggiunge, si può comprendere attraverso un’analisi condotta con il
metodo delle caratteristiche. Esso consiste nel considerare una sezione
trasversale piana, perforata dal profilo della galleria, in modo che
all’interno del cavo sia applicata inizialmente una pressione di
stabilizzazione identica allo stato tensionale litostatico p
0
. La
pressione di sostegno p
0
viene progressivamente diminuita, mentre
aumentano ovviamente gli spostamenti di convergenza D r
(supposti in
questo caso radiali). Generalmente si esaminano gli spostamenti sul
bordo della cavità, ma è possibile allestire linee caratteristiche, ossia
relazioni funzionali, per qualsiasi punto dello spazio. Ogni punto (D r
,
p
i
) della linea caratteristica rappresenta un equilibrio possibile,
definito da un valore della pressione di sostegno (p
i
) e da un
corrispondente valore della convergenza radiale (D r
). Piø esattamente,
la linea caratteristica rappresenta il luogo geometrico degli equilibri
possibili con il valore minimo della pressione di sostegno.
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Dal punto di vista strutturale, risulta chiaro che ogni movimento di
convergenza aumenta le deformazioni di compressione locali nel senso
tangenziale e conduce pertanto alla formazione di archi o anelli
portanti nel terreno. Una parte della spinta del terreno viene
sopportata da tali “archi portanti”, mentre il rivestimento assume
prevalentemente la funzione di contenimento in prossimità del cavo,
ed è caricato con una percentuale minima delle compressioni originali.
Figura 2.1: Rappresentazione schematica della curva caratteristica e delle
curve carico-deformazione di differenti sistemi di sostegno installati in
tempi diversi ed aventi differenti rigidezze (Fenner e Pacher, 1975).
Come è possibile notare dalla Figura 2.1, fino a quando le
deformazioni nel terreno, a partire dallo stato iniziale, restano
limitate, ossia fintanto che la pressione di contenimento rimane
elevata, si ottengono variazioni che avvengono in campo lineare (retta
tratteggiata che ha origine dal valore della pressione di contenimento
pari al 100% della tensione litostatica iniziale , individuato dal punto
K). Questa fase, detta elastica, è valida fino al raggiungimento della
configurazione individuata sul piano dal punto limite L;
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concettualmente si tratta di deformazioni istantanee, di tipo lineare e
reversibile, in funzione della pressione di contenimento.
Oltre questo limite, interviene la seconda fase di deformazione, detta
plastica o di rottura; essa è valida fino al raggiungimento del punto
limite M, corrispondente alla mobilitazione della massima resistenza.
Se si permette poi al terreno di deformarsi oltre quest’ultimo limite, si
avrà un progressivo decadimento delle proprietà meccaniche del
materiale in una fascia situata attorno alla cavità, ed un conseguente
andamento instabile della curva (ad aumenti della convergenza non
corrispondono piø decrementi della pressione radiale interna, ma
incrementi).
Sebbene la linea caratteristica sia utilizzabile, in teoria, a partire da
una pressione di sostegno uguale alla tensione litostatica fino ad una
pressione talmente ridotta da essere insufficiente per evitare il crollo,
è ovvio che non sarebbero accettabili casi di equilibrio tali da
presupporre forze di contenimento talmente elevate da arrivare ad
essere dell’ordine delle sollecitazioni iniziali (ad eccezione di casi
particolari di gallerie a ridotte profondità); d’altra parte, non
sarebbero nemmeno accettabili configurazioni di equilibrio tali da
presupporre elevati valori di convergenza. Infatti, tali convergenze
eccessive devono essere evitate, al fine di impedire una completa
dislocazione del terreno al contorno del cavo, ed evitare una
decompressione alla massa sovrastante che si estenda ad una grande
distanza, eventualmente fino a piano campagna. Per queste ragioni
solamente la parte centrale della linea caratteristica sarà presa in
considerazione a fini pratici.
Nel diagramma di figura 2.1 vengono riportate anche le curve carico-
deformazione (curve 1 e 2) di due sistemi di sostegno installati in
tempi diversi ed aventi differenti rigidezze. Se gli elementi di
sostegno vengono messi in opera, a diretto contatto con la roccia,
questi si deformeranno con essa e si avrà un incremento dei carichi sul
sistema di supporto ed una ridistribuzione delle tensioni all’interno
del terreno. Nel caso mostrato, l’equilibrio fra il terreno ed il sistema
di sostegno rappresentato dalla curva 1 viene raggiunto nel punto A,
quando la tensione radiale media nel sostegno raggiunge il valore p
i
.
Raggiunto l’equilibrio, si procede all’installazione del rivestimento di
calcestruzzo definitivo.
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Pertanto, essendo l’obiettivo principale di un sistema di sostegno,
eseguito secondo il metodo NATM, quello di mobilitare la resistenza
disponibile nel terreno e minimizzare i carichi direttamente scaricati
sugli elementi di sostegno, è necessario avvicinare il piø possibile il
punto di equilibrio al punto M, permettendo al terreno di deformarsi di
una quantità controllata.
2.1.1.1 Principi base della filosofia NATM
I principi base della filosofia di scavo NATM sono:
- La resistenza intrinseca dell’ammasso roccioso circostante la
galleria deve essere conservata e mobilitata quanto piø possibile;
- Una quota controllata di deformazioni entro l’ammasso è richiesta
affinchØ si sviluppi la sua massima resistenza. Tuttavia, devono
essere evitate deformazioni eccessive, che abbiano come risultato
una diminuzione della resistenza, o inaccettabili cedimenti
superficiali;
- A questo proposito, conviene generalmente utilizzare un sistema di
sostegno primario, costituito da una bullonatura o tirantatura
sistematica, protetta da calcestruzzo proiettato;
- Il momento di installazione del rivestimento, e chiusura
dell’iniziale anello di calcestruzzo, è di estrema importanza per il
controllo delle deformazioni;
- Il sostegno primario fornisce parzialmente, o completamente, il
sostegno totale richiesto. Il dimensionamento del rivestimento
secondario è basato sull’analisi dei risultati delle misure tensionali
nel sistema di sostegno primario, di convergenza e delle
deformazioni all’interno dell’ammasso;
- Il tratto di galleria non sostenuto, in ogni fase di costruzione, deve
essere il piø breve possibile.
2.1.1.2 Determinazione della capacità portante di un rivestimento
Per poter realizzare un progetto delle sezioni tipo occorre stabilire la
pressione di sostegno che si desidera ottenere; quella del rivestimento
di prima fase può essere decisa sulla base della curva caratteristica di
ogni tipo di roccia e per ogni stato di tensione iniziale (cambiamenti
di copertura). La pressione radiale, corrispondente alla condizione di
equilibrio, diminuisce, come si può notare in Figura 2.1, se si
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permette che si verifichino convergenze e si sviluppi, di conseguenza,
una zona plastica, la cui estensione dipende essenzialmente dalla
resistenza intrinseca dell’ammasso e dalla pressione interna applicata.
Il gradiente di deformazione dipende dal modulo di deformazione, che
sarà generalmente diverso per la zona elastica e per la zona plastica, e
dall’estensione di quest’ultima. Infatti, fino a quando la zona
plasticizzata possiede un’estensione molto ridotta, il gradiente di
deformazione (e la relativa convergenza) si mantiene basso e prossimo
a quello elastico; invece, al crescere della zona plastica, il gradiente
aumenta sensibilmente e così pure la convergenza. L’ equilibrio finale
è essenzialmente funzione della tensione litostatica e della
deformazione che si ritiene ammissibile.
2.1.1.3 Dimensionamento finale mediante monitoraggio
Caratteristica fondamentale del metodo è un attento programma di
monitoraggio. Tensioni ma soprattutto deformazioni sono controllate
sistematicamente, per determinare se ulteriori rinforzi siano necessari
o meno. Nel caso in cui il rivestimento sia stato sovradimensionato, le
misure di rinforzo possono essere immediatamente ridotte quando si
incontri, durante l’avanzamento dello scavo, una zona di
caratteristiche meccaniche simili.
Allo scopo di controllare il comportamento dell’arco esterno e della
zona al contorno, durante i differenti stadi della costruzione, viene
condotta un’attenta campagna di misure. Le stazioni di misurazione si
dividono in principali, a distanza variabile da 100 a 500 metri, e
secondarie, intercalate alle prime con distanze comprese fra i 20 e 100
metri. Le prime sono equipaggiate sia con estensimetri e strumenti di
misura per la convergenza, al fine di poter rilevare le deformazioni,
sia con apposite celle di carico per misurare le sollecitazioni radiali e
tangenziali. Inoltre alcuni punti sulla calotta e sull’arco rovescio sono
sorvegliati geodeticamente. Nelle sezioni secondarie vengono fatte
solamente le letture della convergenza e controllati alcuni punti sulla
calotta e sull’arco rovescio.
Le letture vengono fatte inizialmente a giorni alterni, e quindi ad
intervalli temporali maggiori, secondo la velocità di deformazione e
del cambiamento delle sollecitazioni. PoichØ il processo di
assestamento si svolge durante un periodo di tempo molto lungo, e
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dato che esso può venire così influenzato localmente da successive
alterazioni delle condizioni geologiche, come ad esempio la variazione
del contenuto d’acqua nell’ammasso circostante, è essenziale misurare
anche le tensioni e le deformazioni del rivestimento definitivo. I
risultati delle misure sono rappresentati in grafici in funzione del
tempo: ciò permette di riconoscere i processi di assestamento che si
manifestano nel terreno ed anche la loro tendenza.
2.1.1.4 Applicazione della metodologia osservazionale e metodi
di calcolo utilizzabili
Con il termine “Observational Design Method” si indica generalmente
una metodologia progettuale teorizzata e proposta da Peck (1969) che
si basa sulla continua osservazione del comportamento di un’opera in
fase costruttiva e sul conseguente aggiornamento dei metodi di analisi
e dei valori numerici dei parametri impiegati nella modellazione del
continuo.
In questa metodologia si possono individuare due momenti distinti:
- Prima fase di redazione del progetto, per la quale ci si avvale di
una campagna di indagini geologiche e geotecniche di dimensioni
proporzionali all’importanza dell’opera. Queste indagini tendono a
definire le caratteristiche generali dei terreni in oggetto, e ad
individuare gli intervalli di variazione dei parametri maggiormente
significativi. Sulla base di queste indicazioni viene redatto il
progetto che può essere modificato in fase di esecuzione.
- Nella seconda fase si controlla il comportamento dell’opera
durante e dopo la sua realizzazione, attraverso l’esecuzione di
opportune misure. Quando i risultati evidenziano un
comportamento dell’opera differente da quello inizialmente
ipotizzato, si utilizzano le misure per definire piø precisamente i
parametri di calcolo, e si procede quindi alle opportune modifiche.
Segue la modifica un’ulteriore campagna di misure, come illustrato
nel diagramma di flusso di Figura 2.2.
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Figura 2.2: Schematizzazione del metodo osservazionale mediante
diagramma di flusso.
Le varie fasi di questo approccio progettuale richiedono
l’approntamento e l’utilizzo di metodi di analisi e di misura che
costituiscono il supporto matematico del lavoro. Iniziando dalla fase
preliminare di indagine si ha l’esigenza di interpretare le misure
eseguite in sito ed in laboratorio. L’elaborazione statistica delle
misure conduce, attraverso tecniche di regressione, alla descrizione di
curve che minimizzando gli scarti, interpolano i valori misurati e ne
definiscono gli intervalli di variazione. I valori dei parametri così
ottenuti vengono utilizzati in modelli numerici atti a simulare il reale
comportamento del terreno. Dei metodi di modellazione sviluppati
negli anni basti ricordare il FEM (metodo agli elementi finiti) che
permette la risoluzione di complessi problemi differenziali attraverso
la discretizzazione del continuo in elementi, ed il BEM (metodo degli
elementi al contorno) che opera utilizzando soluzioni integrali degli
stessi problemi differenziali.
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Per lo studio delle gallerie si fa spesso ricorso a modellazioni
semplici, adatte a trattare problemi di deformazione piana, nelle quali
il terreno è assimilato ad un mezzo continuo elasto-plastico ed
omogeneo. Il metodo è noto come “metodo della convergenza” o
“metodo delle linee caratteristiche”.
Risultato della prima fase dell’analisi saranno le previsioni
sull’andamento e sull’entità delle deformazioni, durante e dopo lo
scavo, e la definizione di limiti di sicurezza degli spostamenti a cui
far riferimento in fase di costruzione. Con l’inizio della costruzione si
chiude la prima fase progettuale ed inizia il processo di controllo e
verifica dell’opera. A partire dalle misure preliminari effettuate si
operano delle previsioni del successivo andamento delle stesse. Si
cerca in tal modo di ottenere un’informazione a breve e medio termine
sull’andamento delle deformazioni in atto, in maniera da conoscere
con sufficiente anticipo quanto il foro si deformerà. Nell’eventualità
che si riscontrino deformazioni incompatibili con le previsioni fatte
nella prima fase progettuale, si passa ad esaminare le modifiche da
apportare al progetto originale.
In generale si possono distinguere due metodi di interpretazione delle
misure rispettivamente di “restituzione” e di “analisi a ritroso”. Il
primo consente di risalire, dalle misure effettuate su strutture
deformabili di contenimento o di sostegno, ai valori delle
sollecitazioni che il terreno esercita sulle strutture stesse e
all’andamento degli sforzi al loro interno; vi sono tecniche che
operano su un solo tipo di misura (spostamenti) ed altre che possono
tener conto di misure di diverse grandezze (spostamenti, rotazioni,
valori locali di pressione). Il secondo metodo ha lo scopo di definire,
interpretando le misure svolte in sito, su un’opera provvisionale o su
una prima parte dell’opera definitiva, piø opportuni valori dei
parametri geotecnici da introdurre nel calcolo dell’opera in
costruzione. Si tratta quindi di utilizzare modelli e metodi di analisi
dello sforzo per analizzare il comportamento di un’opera dopo la
costruzione e ricavare i valori dei parametri del comportamento del
terreno che producono i risultati realmente osservati.
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2.1.1.5 Sistemi di scavo meccanizzato di tipo puntuale
Lo scavo a sezione parzializzata, tipico del metodo NATM e di cui
sono mostrati esempi in Figura 2.3, prevede che l’intera sezione della
galleria venga scavata in diverse fasi. Questo sistema viene
generalmente preferito ad un sistema di scavo a sezione piena quando,
ad esempio, la geometria plano-altimetrica del tracciato sotterraneo
presenta raggi di curvatura molto stretti, che possono essere fuori
della portata di frese o scudi di grosse dimensioni. Per una galleria,
dove le formazioni da attraversare cambiano frequentemente,
presentando caratteristiche meccaniche fortemente disomogenee, lo
scavo in tradizionale risulta meno rischioso e piø flessibile di quello a
piena sezione. Inoltre, lo scavo in tradizionale risulta indispensabile
quando appare necessario controllare la risposta deformativa del
mezzo allo scavo, operando interventi di precontenimento del cavo. Lo
scavo a sezione parzializzata può essere effettuato con frese puntuali
(roadheader). Queste sono macchine di avanzamento che operano in
materiali medio-teneri; la loro prerogativa principale è che lo scavo
viene eseguito mediante una testa rotante sulla quale sono assemblati
utensili di forma conica denominati “picchi”. A seconda del tipo di
applicazione le frese ad attacco puntuale possono essere poste
all’interno di uno scudo oppure montate su un carro cingolato; in
entrambi i casi sono quasi sempre equipaggiate con sistemi di carico e
nastri che permettono di movimentare il materiale abbattuto. Si
distinguono due schemi di scavo:
- tipo “ripping”,
- tipo “milling”.
Nel primo schema, l’asse di rotazione della testa è perpendicolare
all’albero della macchina, mentre nel secondo, invece, la testa fresante
ha forma conica e ruota in linea con l’asse dell’albero della macchina.
Con l’ultimo schema è piø facile la prima penetrazione in un fronte
integro.