Analisi di stabilità di gallerie scavate mediante TBM EPB: "il caso della nuova linea metropolitana di Catania"

1. Introduzione 
 
 
1.1. Premessa 
 
Al giorno d’oggi, la tendenza a livello mondiale è quella di una progressiva 
crescita del livello di urbanizzazione delle città, crescita che però richiede 
sempre più lo sfruttamento del tessuto non antropizzato e soprattutto delle 
risorse ambientali. 
L’aumento del livello di urbanizzazione è strettamente legato alla crescita 
della popolazione, che a sua volta comporta un incremento della domanda di 
mobilità e della conseguente richiesta di infrastrutture affidabili, il tutto 
combinato con la necessità di una maggiore efficienza energetica e una 
maggiore consapevolezza ecologica richiesta dagli standard odierni. 
In un tale scenario, l’utilizzo e l’ottimizzazione dello spazio sotterraneo sta 
acquisendo sempre più un’importanza rilevante, per via dell’ormai 
comprovato impatto positivo che hanno le costruzioni in sotterraneo, 
soprattutto nei centri densamente abitati. 
Lo scavo in sotterraneo rappresenta, pertanto, una soluzione moderna e 
straordinariamente efficace nella risoluzione di molti problemi di viabilità, 
in considerazione della riduzione dei tempi e dei costi di trasporto che esso 
permette. 
Nell’ambito del progetto di potenziamento della rete di trasporto afferente 
all’area urbana ed extra-urbana del comune di Catania, la C.M.C. 
(Cooperativa Muratori e Cementisti Ravenna) si sta occupando dei lavori di
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realizzazione della nuova tratta metropolitana denominata Nesima-
Misterbianco, la quale, aggiungendosi alla rete già esistente, si pone 
l’obiettivo di ridurre le problematiche di mobilità che affliggono l’area in 
questione. 
La realizzazione di una galleria metropolitana richiede però che progettisti, 
costruttori e organi che ne gestiscono la realizzazione debbano tenere sotto 
controllo delle problematiche di diversa natura: 
a) rischio geologico; 
b) rischio progettuale; 
c) rischio costruttivo; 
d) rischio operativo; 
e) rischio finanziario. 
Qualora i rischi connessi alla costruzione non siano gestiti in maniera 
adeguata, esiste il serio pericolo che la realizzazione di opere di questo 
genere possa avere un impatto potenzialmente catastrofico sull’ambiente 
circostante. 
Sicuramente le problematiche connesse all’imprevisto geologico, agli errori 
progettuali ed a una cattiva costruzione dell’opera sono quelle che 
maggiormente preoccupano lo scavo di gallerie in ambito urbano, in quanto 
il mancato controllo di tali operazioni potrebbe indurre alla formazione di 
meccanismi di collasso del fronte, i cui effetti, a volte disastrosi, si 
ripercuoterebbero pesantemente sull’ambiente costruito presente in 
superficie, compromettendo sia il funzionamento delle strutture sovrastanti 
che il bilancio finanziario dell’opera. 
L’espansione della linea metropolitana del comune di Catania ha avuto nel 
corso dell’ultimo ventennio molti alti e bassi, con numerosi periodi di fermo
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che hanno provocato una crescita a rilento, con tempi di realizzazione e 
consegna delle varie tratte e delle opere ad esse annesse non sostenibili con 
la crescente domanda di mobilità. Tali rallentamenti, trascurando le 
problematiche burocratiche e finanziare, sono stati generati prevalentemente 
da una scorretta gestione del rischio geologico e di quello costruttivo. 
Difatti tutte le tratte, oggi in funzione, che costituiscono l’assetto strutturale 
della metro catanese, sono state realizzate sia in passato che in tempi più 
recenti facendo ricorso alla tecnica dello scavo in tradizionale, tecnica 
secondo la quale il processo di sfondamento del fronte sia realizzato 
ricorrendo ad una parzializzazione delle operazioni di scavo dello stesso e 
alla successiva installazione del rivestimento di supporto del profilo scavato. 
Lo scavo in tradizionale, pur essendo una tecnica di comprovata validità che 
ha consentito la realizzazione in tutto il mondo di migliaia di chilometri di 
gallerie, presenta delle problematiche operative non indifferenti, prima fra 
tutte l’incapacità di una corretta gestione dei fenomeni di instabilizzazione 
dello scavo.  Tale condizione ha fatto sì che numerosi scavi subissero 
notevoli rallentamenti, con tempi di fermo anche piuttosto elevati, per via 
delle conseguenze scaturite dalla formazione di camini di collasso, che 
pregiudicavano la regolare fruizione delle attività in superficie. 
In tali circostanze si è imbattuta purtroppo anche la realizzazione della 
metropolitana di Catania, che fra problemi di natura finanziaria e 
complicazioni scaturite da dissesti strutturali generati durante le procedure 
di scavo, ha visto nell’arco di più trent’anni dei tempi di produzione molto 
congestionati,  che hanno portato alla realizzazione di una rete di trasporto 
costituita da appena 8.8 km di linea, contro i 13.2 km della metro di Torino, 
i 20.3 km di quella di Napoli, i 60 km della rete di Roma e 101 km della
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metropolitana milanese. Ovviamente per Catania si tratta di numeri alquanto 
esigui se si pensa alle notevoli problematiche di mobilità, sia urbana che 
extraurbana, che affliggono la città etnea e il suo vasto hinterland. 
La necessità di concretizzare in tempi più ragionevoli il progetto di 
potenziamento della rete metropolitana catanese e l’avere a che fare con 
delle condizioni geologiche molto complesse, ha spinto la stazione 
appaltante a promuovere, per la prima volta a Catania, l’utilizzo dello scavo 
meccanizzato mediante TBM (Tunnel Boring Machine) per la realizzazione 
della galleria di linea.  
Questa tipologia di macchina consente ad oggi la realizzazione di gallerie 
naturali nelle situazioni tensio-deformative più complesse e disperate, 
attraverso l’avanzamento per fasi continue di un processo, che include lo 
scavo con fresa meccanica a piena sezione, il sostegno temporaneo della 
cavità, la posa del rivestimento e lo smaltimento del materiale scavato. 
Il vantaggio nell’optare per lo scavo con TBM, oltre che nella capacità di 
ridurre i tempi di produzione e quindi dei costi di realizzazione, risiede 
soprattutto nella possibilità di poter far affidamento su strumenti tecnologici 
in grado di abbattere il rischio di instabilità durante le operazioni di 
realizzazione di un tunnel. 
Tali risorse tecnologiche risiedono nella capacità della macchina impiegata 
nello scavo di esercitare un’azione spingente di contrasto nei confronti del 
fronte di avanzamento.  
La stima della corretta pressione di supporto da applicare al fronte diventa 
pertanto una delle principali incognite da valutare, sia in fase preventiva di 
progetto sia in fase di esecuzione dell’opera, in quanto consente di 
controllare lo scarico tensionale nel terreno, in modo tale che i movimenti
Introduzione 5 
 
prodotti dallo stesso non costituiscano elemento di rischio né per gli 
operatori addetti ai lavori né per le strutture presenti in superficie. 
 
 
1.2. Obiettivi del lavoro 
 
Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di indagare sulle problematiche 
connesse allo scavo con TBM in ambito urbano, soffermandosi 
prevalentemente sulle prerogative legate al rischio progettuale e sulle 
potenziali criticità che da quest’ultimo possono scaturire. 
Tale lavoro, sviluppato durante un periodo di stage presso gli uffici della 
CMC, affronta infatti uno degli argomenti più complessi e affascinanti in 
tema di tunneling, che è quello relativo alla stabilità del fronte scavo, a cui è 
connesso la conseguente l’analisi degli effetti indotti in superfice dallo 
scavo. Questa tesi presenta una connotazione volutamente applicativa, 
proponendosi l’obiettivo di affrontare un’argomentazione molto richiesta 
nel campo della progettazione di gallerie, facendo ricorso sia a metodologie 
analitiche che a simulazioni FEM avanzate in campo 3D. 
 
 
1.3. Organizzazione del lavoro 
 
Il lavoro si articola complessivamente in otto capitoli, suddivisi in due parti: 
la prima parte, si sviluppa dal capitolo 2 al capitolo 6 ed è dedicata 
interamente all’inquadramento generale del tema da trattare; mentre nella
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seconda parte, che comprende i capitoli 7, 8 e 9, viene presentato il caso 
oggetto di studio, ossia lo scavo della tratta Nesima-Misterbianco.  
Nel capitolo 2 vengono introdotti gli aspetti generali connessi allo scavo in 
sotterraneo e alla realizzazione di gallerie metropolitane, soffermandosi 
principalmente alla trattazione delle principali tecniche realizzative. 
Il capitolo 3 è invece interamente dedicato alla trattazione dello scavo 
meccanizzato e riporta tutte le informazioni salienti riguardanti le TBM, la 
loro classificazione e i principi di funzionamento.  
Il capitolo 4 affronta le problematiche, di natura teorica, connesse alla 
stabilità del fronte scavo: in questa parte del lavoro vengono proposti alcuni 
dei metodi analitici utilizzati nella pratica progettuale per il calcolo della 
pressione di supporto che garantisce la stabilità del fronte stesso.  
Nel capitolo 5 vengono presentate le principali peculiarità e criticità 
connesse alla modellazione numerica agli elementi finiti (FEM) delle 
gallerie, facendo particolare riferimento al software Plaxis 3D Tunnel, 
impiegato in questo lavoro ai fini della realizzazione di modelli 3D 
rappresentativi dello scavo con TBM. 
Il capitolo 6 chiude la prima parte dedicata all’inquadramento generale e 
riporta le principali argomentazioni riguardati le problematiche connesse 
all’analisi degli effetti indotti in superfice dallo scavo in sotterraneo. In 
questo capitolo vengono infatti presentate le principali metodologie 
empiriche utilizzante in pratica per calcolare i cedimenti prodotti durante le 
fasi di avanzamento di una TBM. 
Con il capitolo 7 si entra nella seconda parte del lavoro, dedicata alla 
trattazione del caso studio: in questo capitolo vengono infatti introdotte le 
principali informazioni rigurdanti le problematiche di mobilità che
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affliggono l’area metropolitana di Catania, il progetto della tratta Nesima-
Misterbianco, i dettagli tecnici della TBM utilizzata, l’inquadramento 
geologico dell’area interessata dallo scavo e la caratterizzazione geotecnica 
di terre e rocce.  
Il capitolo 8 tratta le problematiche di stabilità del fronte in relazione al caso 
della tratta Nesima-Misterbianco. In particolare in questo capitolo vengono 
presentati i risultati relativi al calcolo della pressione di supporto ottenuti 
facendo ricorso alle metodologie analitiche, le simulazioni numeriche 
adottate per indagare sulla stabilità del fronte ed infine i confronti fra i 
risultati ottenuti dai metodi analitici e da quelli numerici. 
Il capitolo 9 è dedicato allo studio degli effetti indotti dallo scavo in 
superficie e sull’ambiente costruito: in questo capitolo vengono presentati 
sia i risultati relativi al calcolo dei cedimenti indotti ottenuti per mezzo delle 
correlazioni empiriche, che i dettagli relativi alla simulazione numerica 3D 
del processo di avanzamento dello scavo e e i conseguenti risultati. 
Il lavoro si chiude con il capitolo 10, nel quale vengono riportate le 
considerazioni conclusive e i potenziali sviluppi futuri dell’argomento 
trattato.