Iorioridotta TESCINO

CONGRESSO SOCIETA’
’ITALIANA GALLERIE
“GALLERIE E SPAZIO SOTTERRANEO NELLO SVILUPPO DELL’EUROPA”
Bologna, 17, 18 19 ottobre 2013
Risentimenti sulla statica del rivestimento di una galleria stradale
per effetto di un intervento di riduzione temporanea della copertura
(1)
(2)
M.Grisolia(1), G.Iorio , M.Liberatore
(1)
Dipartimento di Ingegneria Civile Edile Ambientale Roma Sapienza
(2)
ANAS S.p.A
ABSTRACT: La nota riguarda l’analisi di un problema di interazione geotecnica di una galleria stradale nei cui
terreni di copertura è stato previsto un importante sbancamento temporaneo per consentire la creazione di
“catini” di raccolta dei residui di una lavorazione industriale. Sia i lavori di scavo che di riprofilatura dei versanti per
la preparazione del fondo e la successiva collocazione dei rifiuti, contrariamente a quanto inizialmente previsto,
sarebbero stati eseguiti successivamente al completamento della galleria. Attraverso specifiche analisi
numeriche agli elementi finiti è stato possibile comprendere come la fase transitoria di sbancamento preliminare
di preparazione della discarica avrebbe comportato condizioni per il rivestimento maggiormente gravose di
quanto ipotizzato e individuare mirati interventi preventivi di rinforzo delle strutture di sostegno e di
consolidamento dei terreni di imposta.
1
Premesse
Nell’ambito dei lavori per la costruzione della nuova superstrada Terni-Rieti un tratto della galleria
Sud-Tescino risulta sottostare una importante discarica degli scarti di lavorazione industriali che
avrebbe comportato un aumento dei carichi rispetto a quelli dovuti alla naturale copertura.
Contrariamente a quanto previsto in fase progettuale, al momento delle costruzione della galleria la
discarica non è tuttavia risultata completata per cui la galleria stessa, successivamente alla sua
costruzione, sarebbe stata sottoposta ad impreviste variazioni di stato tensionale legate sia una prima
prima fase di sbancamento del terreno, sia alla successiva fase di maggior carico a discarica
completata. In particolare la sistemazione definitiva della discarica avrebbe comportato un preventivo
importante sbancamento di altezza dell’ordine di 15-20 m per la predisposizione di “catini” di raccolta
ed il loro successivo riempimento con scorie di fonderia. Inoltre, a seguito di una modifica al progetto
di ampliamento della discarica, anche la corrispondente quota massima di riempimento avrebbe
subito delle modifiche, comportando un incremento delle coperture gravanti sul cavo nella
configurazione finale da circa 75 a 90 m).
Tale situazione ha imposto una verifica degli effetti di tali successive lavorazioni sulle condizioni di
stabilità dei rivestimenti e l’adozione di specifici interventi correttivi e di rimedio.
2
Quadro geologico e geotecnico di riferimento
La galleria interessa formazioni appartenenti al complesso dei “Depositi alluvionali antichi”
(Pleistocene inferiore e medio) del Torrente Tescino, costituiti prevalentemente da ghiaie e sabbie
ghiaiose, a luoghi cementate di buone caratteristiche geotecniche sia in termini di resistenza che di
deformabilità, con frequenti alternanze di lenti di sabbie, limi sabbiosi e più raramente limi argillosi, di
spessore variabile da poche decine di centimetri a pochi metri. Le numerose prove penetrometriche
eseguite sui terreni granulari nelle varie fasi di progettazione hanno sempre condotto al rifiuto
strumentale (NSPT>100), mentre le prove pressiometriche hanno fornito valori del modulo
pressiometrico EM superiori a 200 MPa. Alcune prove sismiche a rifrazione hanno fornito velocità delle
onde longitudinali Vp comprese tra 1130 m/s e 1960 m/s, mentre da una prova down-hole, sono
risultati valori delle velocità delle onde di taglio Vs superiori a 800 m/s. I termini ghiaiosi-sabbiosi sono
-6
-7
caratterizzati da un valore del coefficiente di conducibilità idraulica K variabile tra 1.9·10 ÷ 1.5·10
m/s, mentre nei termini a maggiore percentuale di fino si registrano valori minori e compresi tra K =
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-11
1.0·10 ÷ 1.0·10 m/s. Lo scenario idrogeologico è risultato comunque estremamente complesso
anche se nelle prime fasi di scavo della galleria è stata riscontrata la pressoché totale assenza di
acqua.
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Problematiche di interazione tra galleria e la sovrastante futura discarica
Rispetto alle “coperture” naturali, dell’ordine dei 55 m, la collocazione della discarica avrebbe
comportato in corrispondenza di un tratto di galleria, un primo scavo di circa 15-20 metri di altezza, ed
il successivo riempimento con pesanti scorie di altoforno fino ad ottenere una copertura di circa 90 m
(Figura 1).
Quota finale riempimento catino
(+295 m slm)
Quota originaria di riempimento
catino (+280 m slm)
Versante naturale
Sbancamento
Formazione
Depositi alluvionali antichi
Figura 1. Sezione di analisi dello sbancaamento e successivo abbancamento in asse galleria
Sulla base degli esiti di alcune analisi numeriche riferite alla sola configurazione finale a discarica
ultimata, il progetto aveva previsto un intervento di consolidamento preventivo consistente nella
creazione di una “corona” di terreno consolidato mediante infilaggi con barre di vetroresina valvolate e
successiva iniezione in pressione di miscele consolidanti; un analogo intervento di consolidamento era
stato esteso anche al terreno di fondazione dell’arco rovescio. Per il rivestimento definitivo era stato
inoltre proposto l’impiego di calcestruzzi ad elevata resistenza ed il rinforzo in calotta e nei piedritti
mediante speciali conci di irrigidimento.
3.1
Modellazione numerica
Al fine di comprendere gli effetti che sono da attendersi sul rivestimento definitivo della galleria
durante la fase transitoria di sbancamento preliminare di preparazione della discarica e di definitivo
abbancamento delle scorie di acciaieria fino alla nuova quota massima prevista, sono state eseguite
delle specifiche analisi numeriche mediante il codice di calcolo agli elementi finiti Plaxis 2D
relativamente ad una sezione in cui è previsto un ampliamento per la realizzazione di una piazzola di
sosta (Figura 2).
Figura 2. Modello FEM
-2-
La galleria Sud-Tescino è realizzata con tecniche di scavo in tradizionale, per cui nelle analisi si è
proceduto a modellare le reali sequenze di scavo e di installazione del rivestimento provvisorio e
definitivo. Il rivestimento di prima fase, costituito da 2 centine IPN180/1.0m e spritz beton
fibrorinforzato di spessore 30cm, è stato modellato con un elemento “beam” di caratteristiche
equivalenti e variabili in funzione del grado di maturazione raggiunto dal calcestruzzo spruzzato, ed il
rivestimento definitivo attraverso elementi di volume in modo da rappresentare accuratamente la
3
posizione e lo spessore a comportamento elastico caratterizzato dai seguenti parametri: γ=25 kN/m ;
v=0.2; E=36 GPa. Lo scavo della galleria stradale è stato quindi simulato attraverso una riduzione
parziale della pressione di confinamento che si origina dallo stato di sforzo litostatico, per tener conto
degli effetti tridimensionali che si verificano attorno al fronte non supportato del cavo. In particolare, il
sostegno di prima fase è stato simulato adottando un valore del “rilassamento” delle forze di scavo
pari al 50% della tensione geostatica, mentre il rivestimento è stato attivato con livelli di scarico
relativamente elevati (90% per l'arco rovescio e 100% per la calotta). Al termine delle fasi di breve
termine associate al solo scavo della galleria, la rigidezza del rivestimento provvisorio è stata
cautelativamente ridotta dell’80%.
Con riferimento al quadro stratigrafico in esame, nelle analisi il terreno è stato assimilato ad un mezzo
elasto-plastico con incrudimento isotropo regolato dalle deformazioni volumetriche εpv e distorsionali
plastiche γp (modello “Hardening Soil”). I parametri di resistenza al taglio delle alluvioni sono stati
assunti rispettivamente pari a c’=40 kPa e ϕ’=36°, mentre per il parametro E’ che regola il
comportamento in campo elastico in condizioni di scarico-ricarico è stato inizialmente ipotizzato un
valore E’=2000 MPa costante con la profondità. I parametri E’50 ed E’0ed, sono stati cautelativamente
assunti in prima approssimazione pari rispettivamente a 0.225 ed 0.250·E’. Per quanto riguarda le
scorie di altoforno, queste sono state modellate con un comportamento elasto-plastico ideale alla
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Mohr-Coulomb definito dai seguenti parametri geotecnici: γ = 27 kN/m ; c’=0 è ϕ’=40°, E=150 MPa.
Per tutti i materiali si è assunto nullo l’angolo di dilatanza a rottura ψ = 0 ed un comportamento di tipo
drenato in tutte le fasi di calcolo. Nelle analisi è stato preliminarmente assunto un valore medio di
riferimento di k0=0.55.
3.2
Risultati delle analisi
I primi risultati delle analisi eseguite hanno confermato un sostanziale aggravamento dello stato
tensionale nel rivestimento nelle nuove condizioni di discarica ultimata rispetto alla condizione iniziale.
In una seconda fase dello studio sono stati quindi analizzati gli effetti sul rivestimento della galleria
anche nella fase transitoria comprendente lo scavo di preparazione della discarica. Considerata la
variabilità delle caratteristiche dei terreni e la locale presenza di termini a grana fina, le analisi sono
seguite attribuendo cautelativamente all’ammasso un valore medio di E’ pari a 600 MPa. Dalle analisi
è risultato che lo scarico tensionale derivato dagli scavi di sbancamento e il successivo ricarico indotto
dallo stoccaggio delle scorie di altoforno, ha determinato un aggravamento dello stato tensiodeformativo del rivestimento definitivo rispetto a quanto inizialmente previsto. Le condizioni
maggiormente gravose per il rivestimento, con sollecitazioni di trazione non compatibili con le
caratteristiche di resistenza della sezione in corrispondenza dei reni e delle murette, si manifestano
proprio nella fase transitoria a seguito dello scavo di sbancamento in superficie (Figura 3).
Figura 3. Sollecitazioni sul rivestimento definitivo a seguito dello sbancamento
-3-
Nella situazione finale a discarica ultimata (copertura 90 m) si conferma un incremento delle
sollecitazioni di compressione delle sezioni poste in calotta e soprattutto di attacco con le murette, tale
da indurre delle concentrazioni di sollecitazione al contatto con l’arco rovescio.
4
Interventi di consolidamento
Per effetto dello sbancamento dalle analisi è dunque risultata necessaria la predisposizione di uno
specifico intervento di di rinforzo del rivestimento definitivo e di consolidamento dei terreni di imposta
(Figura 4).
Figura 4. Schema degli Interventi di consolidamento
In particolare, alla luce delle elevate anomale sollecitazioni di trazioni agenti ottenute a seguito della
realizzazione dello sbancamento, per il rivestimento definitivo del tratto di galleria interessato è stato
previsto l’impiego di calcestruzzi ad elevata resistenza (Rck minimo = 40 MPa) ed il rinforzo in calotta,
reni e piedritti mediante la posa di speciali conci di irrigidimento costituiti da armature preassemblate
composte da profili IPE140 e pannelli di ferri di forza calandrati sia all’estradosso che all’intradosso
della galleria. Il quantitativo di armatura prevista in calotta e nei piedritti è alternativamente pari a
10φ10/m e 10φ26/m all’intradosso e all’estradosso in funzione dell’inversione del momento agente.
Considerata la locale variabilita’ di composizione e caratteristiche dei terreni per la dffusa presenza di
lenti di terreni compressibili, l’intervento di rinforzo è stato completato con un intervento di
consolidamento alla base delle murette mediante posa di 5+5 infilaggi in vetroresina per metro di
galleria, attrezzati con due valvole/m e successiva iniezione selettiva ed in pressione di miscele
consolidanti. Inoltre è stata adottata una sezione ribassata dell’arco rovescio.
5
Considerazioni conclusive
Lo studio ha mostrato che la fase di scavo per la preparazione della discarica sovrastante il tracciato
della galleria stradale ha indotto peggiori ed impreviste condizioni di sollecitazione sul rivestimento
della galleria stessa che ha reso necessario interventi di rinforzo e consolidamento in corso d’opera.
L’esperienza ha confermato l’importanza che la progettazione di un’opera a ricaduta ambientale quale
quella di una galleria stradale sia preceduta da una consapevole e definitiva programmazione degli
interventi di assetto e qualifica del territorio, in mancanza della quale potrebbero risultare impropri e
pericolosi risentimenti sulla stabilità e funzionalità delle stesse opere.
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