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

L'Analisi delle Deformazioni Controllate nelle Rocce e nei Suoli (A.DE.CO.-R.S.) è un recente approccio progettuale e costruttivo, presentato per la prima volta da P. Lunardi, suo ideatore, nel 1988, la cui attendibilità si è definitivamente affermata nello scavo di gallerie in condizioni tensio-deformative particolarmente difficili, dove l'applicazione di altri metodi quali il NATM aveva dimostrato i propri limiti.
Il metodo focalizza l'attenzione del progettista sulla risposta deformativa del mezzo all'azione dello scavo, prima analizzata e prevista, utilizzando gli strumenti disponibili (misure in scala reale e in laboratorio, modelli numerici, ecc.), e successivamente controllala con appropriati interventi di stabilizzazione. Contrariamente agli approcci tradizionali derivati dal NATM che considerano solo la deformazione che si manifesta a valle del fronte di scavo, l'approccio A.DE.CO.-RS, studia la risposta deformativa, sia a monte che a valle del fronte. Controlla la risposta del “cavo” agendo sia sul contorno che a monte del fronte di scavo, con apposite lavorazioni, quali l’esecuzione l’infilaggio di barre in vetroresina e/o il consolidamento tramite tecnica “jet-grouting” e/o iniezioni di malta a bassa pressione. Si ottiene così un'azione di precontenimento del nucleo di terreno a monte del fronte di scavo (il cosiddetto “nucleo”), concepito come elemento strutturale di stabilizzazione della galleria. L'approccio è quindi in grado di affrontare qualsiasi tipo di terreno e di condizione tensio-deformativa, venendo ove opportuno confortato da opportune verifiche eseguite in corso d'opera. Questo nuovo tipo di approccio, partendo dalla semplice osservazione che il problema statico di una galleria in fase di avanzamento è assolutamente tridimensionale e non riducibile ad un semplice schema piano, giunge, sulla scorta dei risultati di oltre venticinque anni di ricerche, alle seguenti conclusioni (Lunardi, 1998):
- la stabilità di una galleria a breve e lungo termine dipende dalla formazione di un "effetto arco" nel terreno al contorno del cavo;
- la formazione dell'effetto arco è segnalata dal tipo e dall'entità della risposta deformativa;
- la risposta deformativa del terreno allo scavo è in parte riconducibile all'estrusione del nucleo ed evolve, prima, come preconvergenza e poi, come convergenza del cavo;
-la risposta deformativa è condizionata dalla rigidezza del nucleo d'avanzamento;
- la stabilizzazione di un galleria si persegue con azioni di precontenimento del cavo, oltre che di semplice contenimento.
Caratteristiche peculiari dell'approccio progettuale, secondo l'analisi delle deformazioni controllate nelle rocce e nei suoli, possono considerarsi:
- la possibilità di dare una risposta a tutte le situazioni geologico-geomeccaniche possibili, indipendentemente dalla natura dei terreni, grazie ad un nuovo tipo d'inquadramento delle opere in sotterraneo (che fa riferimento a un unico parametro comune a tutti gli scavi, quale il comportamento tensio-deformativo del sistema "fronte di scavo-nucleo d'avanzamento") e all'introduzione del concetto di precontenimento del cavo e dei "sistemi conservativi";
- la netta distinzione tra il momento della progettazione e il momento della costruzione di un'opera in sotterraneo è fondamentale per pianificare costi e tempi esecutivi, in quanto conduce ad una corretta impostazione del manuale di progettazione, del capitolato di costruzione e del manuale di controllo qualità.
Il progetto e la costruzione di un'opera in sotterraneo si sviluppa attraverso le seguenti fasi:
• una fase conoscitiva che comprende gli studi geologici, le indagini geotecniche, la loro interpretazione e la definizione dei parametri geotecnici e geomeccanici per la progettazione delle opere;
• una fase di diagnosi nella quale, sulla base delle conoscenze geologiche, idrogeologiche, geotecniche e geomeccaniche raccolte nella fase conoscitiva, il progettista è chiamato a fare una previsione attendibile riguardo al comportamento tensiodeformativo dello scavo in sotterraneo, in assenza di stabilizzazione. Da questa previsione dipende la scelta degli interventi di stabilizzazione, quindi la riuscita del progetto. La previsione è effettuata, utilizzando metodi analitici e/o numerici, in termini di genesi, localizzazione, evoluzione ed entità dei probabili fenomeni deformativi che s’innescano nella fascia di terreno attorno allo scavo, considerando con particolare attenzione il comportamento del fronte d’avanzamento. Tale comportamento può ricadere in una delle seguenti categorie: fronte stabile (categoria di comportamento A), fronte stabile a breve termine (categoria di comportamento B), fronte instabile (categoria di comportamento C);
• una fase di terapia, nella quale, dopo avere formulato previsioni attendibili riguardo al comportamento tensio-deformativo dell'ammasso in seguito allo scavo, sono scelti gli interventi di stabilizzazione più idonei a controllare, contenere o addirittura anticipare ed annullare le deformazioni. Nel caso della realizzazione di grandi cavità, sono inoltre definiti il profilo e le diverse fasi di scavo, al fine di minimizzare le zone da consolidare al contorno;
• una fase operativa e di verifica in corso d'opera, che prevede sistematici rilievi geostrutturali dei fronti di scavo e l'adozione di un sistema di monitoraggio che permetta, mediante misure d'estrusione del fronte, misure di convergenza, misure estensimetriche ecc., di verificare la correttezza delle ipotesi progettuali.
Da circa dieci anni, questo approccio è stato recepito nei capitolati delle maggiori amministrazioni italiane, in campo stradale e ferroviario, ed è correntemente impiegato nella realizzazione delle grandi opere nazionali, tra cui le gallerie per l'Alta Capacità- Velocità ferroviaria tra Bologna e Firenze. Recentemente, (Lunardi, 2000) è stato pubblicato un resoconto sulle 22 gallerie, per complessivi 21.8 km di tracciato, costruite in terreni eterogenei per la nuova linea ferroviaria ad alta velocità Roma-Napoli, le quali sono state progettate e costruite sulla base dell'approccio A.DE.CO.-R.S., che ha permesso di verificare, a consuntivo, come i risultati ottenuti in termini di tempi e di costi, siano stati in linea con le previsioni progettuali.