Interventi di protezione degli scavi di gallerie mediante

Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica, IARG 2006
Pisa, Giugno 2006
INTERVENTI DI PROTEZIONE DEGLI SCAVI DI GALLERIE MEDIANTE
CONGELAMENTO. ATTIVITÀ SPERIMENTALI NELLA STAZIONE MUNICIPIO
DELLA METROPOLITANA DI NAPOLI
Antonella Cantone, Luca de Sanctis e Alessandro Mandolini
Dipartimento di Ingegneria Civile. Seconda Università di Napoli
Sommario
Nel progetto della cosiddetta Linea Tratta Bassa della Metropolitana di Napoli sono previste 5 stazioni. Quasi
sempre si tratta di realizzare scavi di notevole profondità in terreni incoerenti sede di falda. Per la realizzazione
delle gallerie di stazione è in fase di applicazione la tecnica del congelamento. In particolare si prevede di
realizzare lungo il contorno del cavo un rivestimento di terreno congelato con la finalità di prevenire flussi
d’acqua nello scavo ed eventuali fenomeni di instabilità del fronte e del contorno della galleria. A piazza
Garibaldi sono state già completate due delle quattro gallerie previste nel progetto della stazione omonima. Nella
stazione Municipio è stato avviato il congelamento ad azoto della prima galleria. Nella presente nota si riferisce
del programma di studi e indagini a carattere sperimentale sul congelamento artificiale dei terreni in sito
condotto presso il cantiere della Stazione Municipio. La ricerca illustrata nella presente nota è stata interamente
finanziata dal Consorzio Icotekne con sede a Napoli.
Introduzione
Le gallerie di stazione sono interamente tagliate nel tufo rinvenuto ad una profondità variabile
fra 21 e 23 m slm. Le discenderie si sviluppano invece anche nei terreni sciolti sovrastanti la
formazione tufacea e costituti prevalentemente da materiali di riporto e ceneri rimaneggiate. Il
pelo libero della falda è situato a soli 7 m dalla superficie del terreno.
Le attività sperimentali sono state predisposte con la finalità di definire le modalità ottimali di
congelamento dei terreni in sito e cioè tali da realizzare gli interventi di protezione in modo
efficiente e sicuro. Con tali propositi sono state condotte prove di congelamento in sito e
prove meccaniche di laboratorio su campioni di terreno congelati artificialmente e prelevati
nel sito del pozzo-stazione.
Prove di congelamento in sito
Nella Figura 1 è rappresentato il campo sperimentale allestito nel cantiere della stazione
Municipio per le prove di congelamento in sito.
Figura 1. Campo sperimentale
allestito nella stazione Municipio
A2
C1
PF1.1
T5
A1
T1
T4
PF1.2
C2
T2
T3
C3
Sul fronte delle gallerie di
stazione e delle discenderie le
sonde di congelamento sono
state disposte ad interasse di
75 cm lungo il contorno della
sagoma di scavo. Per
soddisfare i requisiti di
progetto dello scavo è stata
ritenuta
necessaria
la
formazione
di
un
rivestimento ghiacciato di
spessore 1 m con superficie a -10°C.
Le prove di congelamento sono state condotte sia immettendo azoto, un liquido refrigerante
espandibile a T = -196°C che passa allo stato di vapore a contatto con l’atmosfera, sia
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immettendo salamoia, una soluzione di acqua e CaCl2 con temperatura di congelamento
variabile in funzione della concentrazione di cloruro di calcio (solitamente -40°C).
Il programma sperimentale è consistito in: 1. Prove di congelamento ad azoto; 2. Prove di
congelamento a salamoia; 3. Prove di congelamento miste mediante attivazione ad azoto e
mantenimento a salamoia.
Le prove ad azoto (fase 1) sono state condotte sia per la canna singola (A2) sia per il sistema
elementare costituito da due canne (A1-A2). La fase di sperimentazione a salamoia (2) è stata
eseguita immettendo simultaneamente il liquido refrigerante nelle sonde C1 e C2 disposte ad
interasse di 1 m. Per confronto la prova con attivazione ad azoto e mantenimento a salamoia
(fase 3) è stata eseguita per il medesimo allineamento (C1-C2). Nella Figura 2 sono riportate
le temperature registrate nei sensori installati a varie profondità nella sonda termometrica T1
situata nel punto medio dell’allineamento C1-C2.
15
Congelamento
azoto + salamoia
z = -10.5 m
z = -16 m
T [°C]
5
z = -21,5 m
z = -27 m
-5
-15
Scongelamento
-25
Congelamento a
salamoia
18-mar
11-mar
4-mar
25-feb
18-feb
11-feb
4-feb
28-gen
21-gen
14-gen
7-gen
31-dic
24-dic
17-dic
10-dic
3-dic
26-nov
-35
Figura 2. Temperature nella sonda T1 durante le fasi 2 e 3 [z profondità del sensore dal p.c.]
I fenomeni di diffusione del calore in un mezzo poroso con cambiamento di fase sono stati
riprodotti con un modello di calcolo ad elementi finiti con valori della conducibilità termica
del terreno congelato ed allo stato naturale ottenuti mediante un procedimento di analisi a
ritroso. Il modello ad elementi finiti è stato utilizzato successivamente per estrapolazioni del
comportamento osservato. I risultati di queste analisi mostrano che per formare la barriera di
progetto con il sistema a salamoia è necessario un tempo di almeno 45 giorni.
Il sistema di congelamento misto con attivazione ad azoto e mantenimento a salamoia
consente di ridurre i tempi necessari per la formazione della barriera di progetto di alcune
settimane e soprattutto di aggirare alcune delle cause che abitualmente impediscono la
formazione del ghiaccio con il sistema a salamoia quale ad esempio i flussi di calore positivi
provocati dai moti di filtrazione. Uno degli aspetti cruciali del progetto di un sistema di
congelamento misto è la definizione del tempo di attesa è cioè del tempo intercorrente fra
l’interruzione della somministrazione di azoto e l’immissione di salamoia. Tale attesa è
necessaria per evitare il congelamento della salamoia nelle sonde a temperatura di -196°C. I
risultati delle prove mostrano che è sufficiente un intervallo di 4 giorni.
Prove di laboratorio
Le barriere di terreno ghiacciato devono possedere caratteristiche tali da assicurare in ogni
momento la stabilità e la tenuta idraulica degli scavi delineati dalle sagome di progetto.
Le prove di laboratorio sono state predisposte per la caratterizzazione fisico meccanica dei
terreni a diverse temperature. Le proprietà meccaniche dei terreni congelati dipendono in
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misura molto marcata dalla temperatura e dal tempo. In particolare per i terreni sciolti la
resistenza e la rigidezza sono sensibili alla velocità di deformazione ε& .
Nel sito della stazione Muncipio sono stati prelevati 10 campioni dai terreni sciolti e 9 dal
tufo. Tenuto conto del programma lavori che prevede nella prima parte lo scavo delle gallerie
di stazione (tagliate interamente nella formazione tufacea) è stata data precedenza alle prove
sui campioni di tufo. Le prove sui terreni sciolti, che servono essenzialmente per le verifiche
del rivestimento delle discenderie, sono attualmente in fase di svolgimento. Nel seguito si
illustrano brevemente i principali risultati delle prove di laboratorio eseguite sui campioni di
tufo e riassunte nella Tabella 1.
Tabella 1. Prove di laboratorio sui campioni di tufo
Campione
Profondità
Uniassiale
Uniassiale
[m]
non
Congelata
congelata
T1
21,9-22,2
X
X(-10°C)a
T2
24-24,4
T3
25,6-25,9
T4
27,6-28,2
21,522,25
T6
23,25X(-25°C)
23,6
T7
23,65-24
T8
24-24,4
X
X(-10°C)
T9
24,8-25,5
a
Valori della pressione di sconfinamento
b
Temperatura raggiunta nella fase di congelamento
c
Valori della pressione di cella
Uniassiale
congelatascongelata
X (15°C)b
Trazione
indiretta
Triassiale
non
congelata
Triassiale
congelata
Triassiale
congelata scongelata
X [150300-600]c
X(-5°C)
X(-20°C)
X(-10°C)
X(-25°C)
T5
X [150600]
X(-10°C)
[150]
X(-25°C)
[150]
X(-15°C)
[-150]
X(-10°C)
[150-300]
X (15°C)
X(-20°C)
X(-25°C)
Le prove sono state condotte con una attrezzatura speciale messa a punto con la Tecno In srl
di Napoli e illustrata schematicamente nella Figura 3. La cella è costituita da un sistema di
due cilindri separati da un’intercapedine nella quale è stato creato il vuoto per limitare gli
effetti della condensa. Nel cilindro interno (contenente il provino) circola il fluido di cella che
svolge contestualmente la funzione di liquido refrigerante. Il pistone di carico scorre
verticalmente in un manicotto a tenuta. A tale pistone è collegato un sensore LVDT che
permette la misura della deformazione assiale. Le prove vengono condotte a spostamento
controllato. Le misure del carico assiale sono eseguite da un cella fissata al telaio del torchio.
L’apparecchiatura è corredata da tre circuiti di pressione indipendenti dei quali uno per il
controllo della pressione di cella e due per la pressione interstiziale nel provino.
Le prove triassiali sono state eseguite con velocità di spostamento comprese nell’intervallo
0,006-0,008 mm/min. Nelle Figure 4a-b sono illustrati i risultati delle prove di compressione
semplice eseguite su campioni di tufo congelati e dopo ciclo di congelamento-scongelamento.
In ambedue le Figure per confronto sono riportati i risultati delle prove sui campioni di tufo
allo stato naturale. Nella Figura 5 sono riassunti i valori della resistenza a trazione indiretta
ottenuti mediante la prova brasiliana su campioni congelati al variare della temperatura. Infine
nella Figura 6 sono illustrati i valori della coesione efficace desunti dalle prove triassiali al
variare della temperatura raggiunta nella fase di congelamento. Il valore di coesione relativo a
T = 15°C si riferisce alla prova triassiale non congelata. Per le prove triassiali congelate i
valori della coesione sono stati valutati ipotizzando un angolo di resistenza al taglio pari a
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quello ricavato dalla prova
triassiale non congelata. I
risultati mostrano che la
resistenza del tufo dipende
in misura molto marcata
dalla temperatura. Appare
certamente di rilievo la
riduzione della resistenza a
compressione
semplice
dopo
un
ciclo
di
congelamento evidenziata
nel caso del campione T9
nella Figura 4b.
MAIN AIR
LOAD
CELL
P CELLA
PORE
SUP
F
PORE
INF
CP
AXIAL
LVDT
MAIN VACOOM
TRIAX
CELL
EK 45
COOLER
PI1
WL
PI2
PDCR810
PORE INF
PC2
PORE
SUP
PC3
WL
GO
GO
P1
P2
GI
GI
GLYCOL EXCHANGER
PI1
VOLUME
LVDT
PORE
CELL
PC1
WL
PI2
WATER / AIR
PORE AIR
Figura 2. Schema della cella triassiale adottata per le prove di laboratorio
q [MPa]
q [MPa]
6
25
Non congelata [T1]
Non congelata [T1]
20
5
Non congelata [T8]
Non congelata [T8]
Congelata-Scongelata T = -15°C [T1]
Congelata T = -10°C [T1]
15
4
Congelata-Scongelata T = -20°C [T8]
Congelata T = -10°C [T8]
Congelata-Scongelata T = -25°C [T9]
3
10
2
5
1
a)
b)
0
0
0
2
4
6
εa [%]
0
8
2
4
6
8
εa [%]
Figura 4. Risultati delle prove su campioni congelati e dopo ciclo di congelamento-scongelamento
σt [MPa]
c [MPa]
4
4
3
3
2
2
1
1
T [°C]
0
0
-25
-20
-15
-10
-5
Figura 5. Resistenza a trazione al variare della
temperatura
0
-20
-10
0
10 T [°C] 20
Figura. Valori della coesione al variare della
temperatura desunti dalle prove triassiali
4