Analisi tridimensionale di gallerie urbane

Nel corso dell’ultimo secolo il progresso della società moderna ha notevolmente ridimensionato 
la fisionomia degli agglomerati urbani. 
Con la nascita e lo sviluppo di grandi complessi industriali, la crescita delle esigenze di mobilità e 
servizi, in un contesto mondiale sempre più urbanizzato, si rende necessario un continuo sviluppo di 
nuove infrastrutture (strade, ferrovie, metropolitane...) e di nuovi servizi (acquedotti, fognature, reti 
tecnologiche...) prevalentemente in sotterraneo, a modesta profondità e spesso in aree fortemente 
popolate, con sezioni e geometrie di scavo sempre più impegnative. 
Una galleria metropolitana è caratterizzata essenzialmente da una bassa copertura, da uno scavo 
in depositi alluvionali con caratteristiche geotecniche scadenti, dalla presenza di un acquifero e 
dall’esistenza nell’intorno dello scavo di altri manufatti. 
Il progetto e la costruzione di una galleria nel sottosuolo di una grande città presenta aspetti 
peculiari e per certi versi più delicati di quelli dei grandi collegamenti stradali o ferroviari extraurbani; 
per tali motivi le problematiche connesse alla sua realizzazione, non dovendo essere sottovalutate, 
necessitano di studi approfonditi e valutazioni accurate nei confronti dei possibili effetti indotti dallo 
scavo.
Un aspetto molto importante consiste nel fatto che l’opera, sia essa una galleria di linea o una 
stazione, quando non li sottopassa, si trova quasi sempre in prossimità di fabbricati di notevole altezza 
e pregio storico, che impongono condizioni al contorno più restrittive, soprattutto in termini di 
deformazione, rispetto ad opere di analoga tipologia, ma di diversa localizzazione. 
Il passaggio del fronte di scavo, infatti, crea inevitabilmente nel terreno una zona perturbata, che 
interessa in maggiore o minor misura gli edifici prospicienti la linea e il tipo di struttura con cui è 
realizzato il fabbricato e ne influenza la risposta statica e dinamica. Gli edifici con strutture a telaio, 
ben eseguiti, quasi non avvertono il “passaggio” della galleria, mentre, con edifici in muratura è 
necessario pensare a particolari opere di presidio o a metodologie di realizzazione particolarmente 
cautelative. In questo senso è necessario che il Progettista non sottovaluti i limiti deformativi che la 
Committenza impone in questi casi ed anzi diventa necessario che vengano svolte tutta una serie di 
valutazioni necessarie a stimare correttamente le subsidenze e le distorsioni che si possono innescare 
durante i lavori. 
La valutazione dell’impatto della realizzazione di gallerie metropolitane sulle strutture sovrastanti 
rappresenta dunque un passo cruciale del percorso progettuale. In particolare, è importante valutare i 
potenziali danni indotti, in modo da prevedere, con una mirata azione di monitoraggio, adeguati 
interventi di mitigazione e salvaguardia. Questo aspetto della progettazione assume una particolare 
valenza in presenza di strutture monumentali di eccezionale valore storico ed archeologico, come è 
possibile rinvenire lungo quasi tutto il percorso urbano della METRO C, in particolare nella tratta che 
collega il Colosseo a Piazza Venezia. 
Proprio in corrispondenza di questi due monumenti simbolici della grandiosità italica, romana 
prima e sabauda poi, è prevista la realizzazione di alcune stazioni, il cui impatto va valutato con molta 
accortezza.. Esistono diverse correlazioni, derivate da dati empirici, in grado di far prevedere il pericolo 
rappresentato dai cedimenti in corrispondenza delle stazioni e delle gallerie di linea. Gli studi condotti 
sino ad ora hanno permesso di valutare l’effetto di tali cedimenti su gran parte dei manufatti interessati 
dal percorso della METRO C e di evidenziare attraverso delle analisi numeriche la corrispondenza o 
meno dei risultati attesi dalle relazioni empiriche con quelli previsti da studi di tipo numerico. 
L'ampiezza dei percorsi previsti per le banchine delle stazioni, maggiore che nel passato, 
caratterizza, in base alle nuove normative, anche i tunnel che ospitano le discenderie. Queste avranno 
dunque dei diametri molto ampi, essendo peraltro costituite normalmente da due gruppi di scale, 
alloggiate in un medesimo tunnel, per evitare i problemi di interazione con gli edifici del tessuto 
urbano.
Non è ancora mai stato valutato l’effetto determinato dallo scavo delle discenderie di accesso alle 
stazioni stesse. Anche se le stazioni dovessero essere collocate all’interno del diametro delle canne di 
transito dei treni, in modo da ridurre gli effetti sulle opere monumentali, le gallerie inclinate che 
dovranno consentire il raggiungimento della quota delle banchine, andranno ad occupare uno spazio 
esterno rispetto a quello dei tunnel principali e potrebbero essere causa di innesco di ulteriori 
deformazioni nel terreno di entità non trascurabile. 
Da qui l’attenzione dedicata nel presente lavoro allo studio degli effetti superficiali che le gallerie 
inclinate possono causare, al variare della loro inclinazione e del diametro del foro, in modo da 
garantire un’adeguata progettazione delle stesse per ridurne gli effetti sulla superficie del piano 
campagna, a cui, per loro stessa natura, si avvicinano più di ogni altra opera. 
L’obiettivo principale sarà quindi quello di accennare ai principali aspetti riguardanti la 
realizzazione di gallerie in ambiente urbano mettendo in risalto i problemi connessi con l’interazione 
fra terreno e struttura, ma soffermandosi in particolare ad uno studio delle condizioni di campo libero o 
“free field”, applicandole al caso specifico delle gallerie inclinate, attraverso un modellazione numerica 
necessariamente tridimensionale. 
L’onere computazionale legato alle analisi numeriche fa spesso preferire, soprattutto in sede di 
studi di fattibilità, applicazioni dirette di formule empiriche note in letteratura. Tuttavia la validità di 
queste è necessariamente legata al numero di sperimentazioni condotte per verificarle e spesso è 
limitata a condizioni geomeccaniche simili a quelle dei terreni in cui sono state fatte le misure poi 
interpolate. Tuttavia, per alcune situazioni tipo si possono ritenere sufficientemente valide e conducono 
spesso a risultati non eccessivamente approssimativi: non esiste però alcun tipo di correlazione fra gli 
spostamenti in superficie e gli scavi di gallerie inclinate. 
L’argomento risulta infatti ancora largamente inesplorato, poiché di solito si ritiene che le 
discenderie delle linee metropolitane rappresentino un problema di ordine inferiore quanto ad 
interazione con  le strutture circostanti. Dalle analisi svolte si dimostrerà che, tuttavia, nel caso di 
diametri piuttosto ampi, come recentemente si vanno diffondendo per limitare l’impatto sul tessuto 
urbano, questi effetti non risultano per nulla trascurabili; questo effetto è dovuto anche a causa delle 
metodologie di scavo, necessariamente “tradizionali”, che non consentono l’adozione di metodologie 
esecutive e tecnologie in grado di ridurre i cedimenti in superficie. 
Analisi tridimensionale di gallerie urbane 
Capitolo 1 – Caratteristiche generali delle linee metropolitane e dei metodi di scavo 
Capitolo 1  
Caratteristiche generali delle linee 
metropolitane e dei metodi di scavo 
 
 
Tesi di laurea specialistica in ingegneria civile - Università di Roma La Sapienza 1.1-1 
 
Analisi tridimensionale di gallerie urbane 
Capitolo 1 – Caratteristiche generali delle linee metropolitane e dei metodi di scavo  
1 Introduzione 
 
Come detto nella prefazione, sempre più frequentemente nelle grandi città si ricorre 
all’utilizzo del sottosuolo per la collocazione di grandi reti di trasporto e di transito. 
La realizzazione di opere sotterranee, quali gallerie e stazioni metropolitane, comporta spesso 
la messa in opera di strutture di grandi dimensioni, costruite a piccola profondità per contenere il 
dislivello tra il piano campagna ed il piano del ferro, onde agevolare l’accesso degli utenti. La 
progettazione di questi manufatti è dunque soggetta a vincoli geometrici, strutturali, geologici ed 
ambientali che influenzano, specie nei terreni più scadenti, il tracciato e la posizione delle stazioni, 
nonché la scelta del metodo esecutivo. 
Nel progettare e costruire tali opere devono essere presi in considerazione molteplici 
elementi che si potrebbero sintetizzare come segue: 
 
1) Tipo di terreno: generalmente si incontrano materiali con scarse caratteristiche 
geotecniche, tipicamente di origine alluvionale (sabbie e ghiaie con presenza di ciottoli e argille 
più o meno consolidate...) spesso contenenti altre opere come fondazioni, condotte fognarie, reperti 
archeologici, ecc. 
 
2) Presenza della falda: questo è uno degli aspetti più importanti e delicati nel processo di 
progettazione e realizzazione di una galleria sotterranea poiché la valutazione della presenza di 
pressioni idriche prodotte da un acquifero può modificare drasticamente l’intero progetto. 
 
3) Disturbi in superficie: l’intervento sul sottosuolo attraverso lo sfruttamento delle 
moderne tecniche di scavo integrale (TBM) è sempre più in grado di condurre in modo efficiente i 
lavori di escavazione senza turbare le normali attività cittadine in superficie, con particolare 
riferimento al traffico dei mezzi pubblici e privati, e riducendo i principali impatti ecologici, come 
rumori, fumi, vibrazioni e inquinamento della falda. 
 
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Capitolo 1 – Caratteristiche generali delle linee metropolitane e dei metodi di scavo  
4) Opere pre-esistenti nel sottosuolo: data la modesta profondità di lavoro è facile 
imbattersi in costruzioni sotterranee già presenti nel terreno da scavare, quali fognature, cunicoli di 
servizi, canalizzazioni di acqua e gas, sottopassaggi. 
 
5) Danni alle strutture in superficie: per ragioni intrinseche di progetto, l’ubicazione di una 
galleria metropolitana non può che incontrare lungo il suo tracciato opere come edifici, ponti, 
viadotti, ferrovie o, più semplicemente, sedi stradali. Lo stato delle costruzioni adiacenti alla linea 
metropolitana deve sempre essere controllato al fine di minimizzare i danni indotti dallo scavo 
verso le strutture sovrastanti. Pertanto, in ragione della maggiore o minor sensibilità ai cedimenti 
indotti si potranno scegliere diversi metodi di scavo e di rinforzo al fine di non danneggiare le 
fondazioni dei suddetti immobili.  
 
In una metropoli come Roma, oltre alle consuete problematiche di interferenza reciproca fra 
le molteplici reti urbane sotterranee e fra queste e l’ambiente cittadino sovrastante, spesso 
bisognoso di speciali tutele perché particolarmente antico e pregevole, assumono fondamentale 
importanza le difficoltà di interazione con i resti archeologici e con la tutela dei beni ambientali e 
artistici presenti nel sottosuolo fino a profondità considerevoli. È questo ben visibile in Figura 
1.1.1, dove è rappresentata la fermata “Colosseo” della Metropolitana B di Roma, in 
corrispondenza della quale verrà a localizzarsi pure una fermata della linea C, ancora in fase di 
approfondimento conoscitivo. 
 
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Capitolo 1 – Caratteristiche generali delle linee metropolitane e dei metodi di scavo  
 
Figura 1.1.1 Sezione tipo di una linea metropolitana: tratta 3 (Venezia – S. Giovanni) della linea C di Roma. 
Esemplificazione delle interazioni con le preesistenze strutturali nel sottosuolo (la linea B delle Metropolitane di 
Roma), con gli edifici abitativi sovrastanti e le relative reti idriche fognarie e di telecomunicazioni sotterranee, il 
patrimonio naturalistico (il Parco del Colle Oppio) e le bellezze artistiche ed architettoniche dell’antichità, emerse 
(il Colosseo) o imprigionate nel terreno (la Domus Aurea). 
 
 
 
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Capitolo 1 – Caratteristiche generali delle linee metropolitane e dei metodi di scavo  
2 I metodi di scavo delle gallerie urbane 
 
 
I metodi di scavo più utilizzati per la costruzione di gallerie urbane sono riconducibili alle 
seguenti due tipologie: 
 
ƒ scavo a cielo aperto (detto anche a trincea o cut and cover) 
ƒ scavo a foro cieco (o in sotterraneo) 
 
Non esiste un particolare motivo che determini in modo assoluto la scelta della prima 
tipologia piuttosto che lo scavo in sotterraneo. Proprio a tale proposito si vogliono evidenziare i 
molteplici fattori che influenzano l’applicazione di uno o dell’altro metodo: 
 
¾  sviluppo del tracciato; 
¾  condizioni idrogeologiche; 
¾  larghezza delle strade; 
¾  opere esistenti nel sottosuolo; 
¾  tipologia strutturale dei manufatti presenti in superficie; 
¾  dimensioni delle gallerie; 
¾  disturbo sul traffico in superficie. 
 
Di seguito si riporteranno le caratteristiche principali di entrambi i metodi di scavo con 
particolare riguardo ai vantaggi ed agli svantaggi che possono indurre un sistema di valutazione 
utile per la scelta decisiva del metodo di scavo. 
 
 
 
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2.1 Metodo cut and cover 
 
Il metodo di scavo a cielo aperto ha comportato, in anni passati, lo scavo di trincee con 
scarpate ad angolo naturale di riposo del terreno e la successiva posa in opera di un rivestimento 
prefabbricato con ricopertura del manufatto. 
E’ evidente che gli svantaggi di cui soffre tale metodo, in particolare lo spreco di spazio ed il 
disturbo in superficie, hanno portato oggigiorno all’abbandono di questa tecnica. 
Attualmente, infatti, sono adottati due metodi che si riferiscono allo scavo di trincee con 
particolare riguardo alla protezione della struttura: 
 
¾ scavo previa protezione con pali trivellati 
¾ scavo sotto battente di bentonite e posa di paratie di protezione  
 
In breve, nel primo caso si eseguono, ad una distanza pari alla larghezza dello scavo, diversi 
pali trivellati, tra loro ravvicinati, fino a formare un vero e proprio muro interrato; in un secondo 
tempo si getta la trave di coronamento che lega la serie di pali e si procede al ribasso dello scavo 
fino alla quota di progetto, previa eventuale tirantatura delle pareti della trincea. In ultimo si 
costruisce un primo solettone di calcestruzzo armato per il ripristino della sede stradale ed un 
secondo viene posto in opera sul fondo scavo. 
 
La seconda tipologia (anche detta “Metodo Milano”) si presta meglio ad essere descritta 
attraverso un’elencazione delle sue fasi costituenti, che risultano in parte illustrate in Figura 1.2.1: 
1.  scavo di una trincea (ad esempio, alta 1 m e larga 1,5 m); 
2.  calo delle murette; 
3.  riempimento dello scavo con bentonite; 
4.  approfondimento della trincea sino a livello di progetto; 
5.  esecuzione di un tratto di trincea lungo alcuni metri e successiva posa dell’armatura 
in tondini di acciaio; 
6.  esecuzione del getto di calcestruzzo che si sostituisce alla bentonite, la quale va a 
riempire un secondo spezzone di trincea già preparato; 
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7.  allargamento della trincea oltre le murette; 
8.  messa in opera di una trave prefabbricata a sostegno della sede stradale; 
9.  ripristino della sede stradale; 
10.  rimozione del “cuore” con scavo a foro cieco. 
 
 
Figura 1.2.1 Particolare della realizzazione del diaframma di calcestruzzo nel “Metodo Milano” 
 
Esistono poi molte varianti di questo metodo, alcune delle quali includono anche la 
possibilità di realizzare di travi di rinforzo sotto gli edifici adiacenti allo scavo. 
 
 
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2.2 Scavo a foro cieco 
2.2.1 La classificazione delle tipologie di scavo in sotterraneo 
 
Lo scavo in sotterraneo diventa una soluzione obbligata nel momento in cui non si possa 
assolutamente sconvolgere l’ordinaria amministrazione in superficie o quando si debbano 
sottopassare strutture od aree non libere.  
Mentre lo scavo a cielo aperto, sebbene con varianti costruttive, si ispira sostanzialmente al 
classico Metodo Milano, le tecniche e le modalità dello scavo a foro cieco sono alquanto differenti 
in relazione, principalmente, al tipo di terreno. 
Si possono pertanto definire schematicamente le seguenti tipologie di scavo in funzione della 
litologia da attraversare (Tabella 1). 
 
 
Tabella 1 Modalità di scavo in sotterraneo in funzione del tipo di terreno 
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Capitolo 1 – Caratteristiche generali delle linee metropolitane e dei metodi di scavo  
Si deve notare come il metodo di abbattimento della roccia con l’utilizzo di esplosivo debba 
necessariamente essere particolarmente controllato, in termini di vibrazioni indotte, nell’ipotesi 
che la galleria da scavare attraversi centri abitati od opere sensibili a queste sollecitazioni 
vibratorie. In tale contesto, nel piano di brillamento, è opportuno frazionare la carica esplosiva 
limitando così i potenziali danni alle strutture adiacenti allo scavo. L’ aspetto del fronte è quell 
evidenziato in Figura 1.2.2. 
 
 
Figura 1.2.2 Scavo a foro cieco in roccia stratificata: particolare del fronte 
 
Ovviamente, sempre in materiale roccioso, l’utilizzo di macchine di scavo integrale è in 
grado di evitare le tipologie di danno sopra menzionate. Soprattutto in terreni sciolti, tuttavia, si 
deve tener presente che le tecniche che fanno uso dello scudo comportano spesso il problema della 
subsidenza, fenomeno molto importante specialmente in ambito metropolitano, a causa delle 
sollecitazioni che è in grado di causare negli edifici sovrastanti, come si avrà modo di studiare più 
diffusamente nel Capitolo 4 e come si può constatare in Figura 1.2.3. 
 
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Capitolo 1 – Caratteristiche generali delle linee metropolitane e dei metodi di scavo  
 
Figura 1.2.3 Esempio di evoluzione di un profilo di cedimenti indotto dallo scavo di un tunnel con TBM al 
di sotto di un antico edificio di Londra 
 
Viceversa, la tecnica di consolidamento del terreno mediante congelamento può dar luogo al 
fenomeno opposto alla subsidenza, ovvero una dilatazione superficiale del piano campagna, su cui 
poi si forma la consueta conca di subsidenza, seppure ridotta rispetto poiché intanto viene 
installato il rivestimento all’interno del foro. Tuttavia, la variazione della configurazione 
geometrica del piano campagna, in tempi solitamente molto brevi rispetto alla vita utile dei 
manufatti, ha spesso dato vita a problemi considerevoli in vari punti delle strutture sovrastanti, 
ogni volta sottoposte differenti schemi di sollecitazione, che massimizzano il loro effetto in 
posizioni diverse man mano che le zone di hogging e sagging migrano verso le varie zone degli 
edifici. Queste conclusioni che traggono conferma da una diffusa casistica presente in letteratura, 
compreso il caso italiano della Metropolitana di Napoli. 
 
Come emerge dalla Tabella 1, lo scavo in sotterraneo si può condurre secondo l’uso di due 
grandi metodi costruttivi: 
 
9 Metodi tradizionali; 
9 Metodi impieganti lo scudo. 
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