Avanzamento delle TBM-EPB nelle brecce vulcaniche

Durante lo scavo in TBM di gallerie urbane, risulta determinante garantire un'adeguata stabilizzazione del fronte, al fine di evitare disastrose ripercussioni sull'ambiente costruito circostante. Ne consegue pertanto che un'adeguata progettazione delle modalità di avanzamento dello scavo risulta determinante al fine di garantire la buona riuscita dell'opera stessa. Utilizzando come scenario di studio l'attraversamento delle brecce vulcanoclastiche, configurazione di scavo interessata nella realizzazione della tratta Nesima-Misterbianco della metropolitana di Catania, la presente memoria ha voluto focalizzare l'attenzione sullo studio delle condizioni di stabilità del fronte nel caso di scavo in materiali incoerenti, in presenza di falda acquifera. A tal fine sono state realizzate una serie di simulazioni numeriche agli elementi finiti, volte a valutare (i) la minima pressione di supporto da garantire durante l'avanzamento in modalità EPB e (ii) i parametri caratteristici dello scavo, in termini di entità del volume perso ed estensione del bacino di subsidenza superficiale in condizioni di Greenfield


Introduzione

Al giorno d'oggi, la tendenza a livello mondiale è quella di una progressiva crescita del grado di urbanizzazione delle città, crescita che richiede sempre più lo sfruttamento delle risorse ambientali e del tessuto non antropizzato. Tale tendenza sta provocando di conseguenza l'aumento della domanda di mobilità e della richiesta di infrastrutture affidabili.
In tale scenario, l'utilizzo e l'ottimizzazione dello spazio sotterraneo sta acquisendo sempre più un'importanza rilevante in quanto rappresenta una soluzione moderna ed efficace ai problemi di mobilità, che conduce ad una riduzione dei tempi e dei costi di trasporto e ad un utilizzo più ecologico delle infrastrutture pubbliche.
Al tempo stesso però, la realizzazione di una galleria metropolitana richiede che vengano tenute sotto controllo problematiche di diversa natura, connesse al rischio geologico e progettuale, al rischio costruttivo ed operativo e al rischio economico-finanziario.
Qualora i rischi connessi alla costruzione non siano gestiti in maniera adeguata, esiste infatti il serio pericolo che la realizzazione di opere di questo genere possa avere un impatto potenzialmente catastrofico sull'ambiente circostante.
In questo lavoro, si sono voluti mettere in luce alcuni degli aspetti fondamentali legati alla progettazione delle modalità di avanzamento di una galleria, utilizzando come scenario di studio lo scavo con TBM-EPB nelle Brecce vulcanoclastiche della linea di prolungamento della metropolitana di Catania, denominata Nesima-Misterbianco.
Tali aspetti sono quelli legati alla stabilità del fronte e alla successiva analisi di subsidenza indotta dall'avanzamento dello scavo, ovvero problematiche che prevedono un'accurata fase di studio delle condizioni geotecniche, dello stato tenso-deformativo e dei possibili effetti prodotti sull'ambiente circostante ai fini di una buona riuscita dell'opera.


Il progetto della tratta Nesima-Misterbianco

Il progetto della tratta Nesima-Misterbianco consiste nel prolungamento dell'attuale tratta di metropolitana della Ferrovia Circumetnea, in parte in esercizio ed in parte in corso di realizzazione, all'interno del centro urbano della città di Catania (Fig. 1).
In particolare, il progetto prevede la realizzazione di una tratta funzionale di linea ferroviaria in galleria con caratteristiche di metropolitana, avente la lunghezza di 3.9 km, con la funzione di collegare i quartieri periferici della parte nord-ovest della città di Catania con la zona commerciale ed il centro urbano di Misterbianco.
In particolare, il progetto prevede la realizzazione di:
- una galleria di linea;
- due stazioni denominate Fontana e Monte Po;
- n. 6 aperture equilibratrici.
La galleria di linea, mono-canna a doppio binario di percorrenza, si sviluppa per una lunghezza di circa 1748.08 m da un attuale tronchino di manovra che si dirama dalla stazione Nesima, collocato alla progressiva chilometrica 5+283.70, sotto il viale Lorenzo Bolano, fino ad un tratto compreso tra la stazione Monte Po e la stazione Misterbianco Centro, alla progressiva 7+031.78, sotto via Carlo Marx nel Comune di Misterbianco.


Inquadramento geotecnico della tratta Nesima-Misterbianco

L'area metropolitana di Catania è situata ai margini delle pendici sud-orientali dell'apparato vulcanico etneo ed i terreni presenti appartengono alla successione post-orogena, di natura sedimentaria, coperta in discordanza dalle colate laviche. Su queste si sono depositati i terreni alluvionali, lacustri e detritici attuali.
Il tracciato si sviluppa pertanto in un contesto geologico e idrogeologico di notevole complessità, il quale interessa prodotti vulcanici relativi all'unità del Mongibello e ai depositi vulcanoclastici della grande colata del 1669, caratterizzati da un'alternanza irregolare di pseudo stratificazioni di sabbie e brecce derivanti dal rimaneggiamento, alterazione e trasporto del materiale vulcanoclastico, prevalentemente di caduta e degli elementi scoriacei delle colate. In alternanza ai prodotti vulcanoclastici, si alternano i depositi lavici a consistenza lapidea della colata Quartalaro, che risultano rocce prevalentemente vacuolari e fratturate. Una caratteristica di questa colata è la presenza di frequenti condotti di scorrimento lavico riempiti da materiali limosi clastici e poco consistenti. Oltre ai depositi vulcanici sono presenti terreni afferenti al substrato pleistocenico della Formazione delle "Argille grigio-azzurre", costituiti da limi e argille marnose, e terreni alluvionali attuali e recenti, associati granulometricamente a limi-argillosi, clastici e mediamente consistenti.
In definitiva, procedendo secondo le datazioni di letteratura geologica e stratigrafica, lo scavo ha interessato, dai più recenti ai più antichi, i seguenti terreni (Fig. 2):
- Terreno di riporto;
- Depositi alluvionali attuali e recenti;
- Litotipi vulcanici afferenti al Distretto Vulcanico del Monte Etna - Sintema Il Piano - Vulcano Mongibello: "Formazione Torre del Filosofo" - colata lavica del 1669, colata lavica Quartalaro e Complesso argilloso del Pleistocene inferiore-medio afferente alla Formazione "Argille grigioazzurre".
L'area è inoltre caratterizzata dalla presenza di un complesso assetto idrogeologico, in cui si sviluppano sistemi multi-falda in senso verticale e laterale rispetto al tracciato di scavo, condizione che comporta la presenza di cospicue falde idriche.

Caratteristiche geotecniche delle Brecce Vulcaniche
Le brecce sono rocce di origine vulcanica (Bvlc) risalenti all'Olocene Attuale, caratterizzate da elevata abrasività, colorazioni tendenti dal grigio al rossastro, da mediamente addensate a scarsamente addensate, spesso saldate, costituite da frammenti lavici scoriacei, di dimensioni da centimetriche a metriche, immersi in matrice sabbiosa. Le Bvlc quando si presentano saldate sono caratterizzate da coesione e offrono elevata resistenza, ma possono essere anche caratterizzate da una matrice sabbiosa media-grossolana e da una presenza di livelli con matrice a grana fine.
Le proprietà meccaniche vengono ricavate considerando il materiale come se fosse una roccia totalmente disintegrata, applicando il criterio di Hoek-Brown con D=1 e GSI=20[7].

 

La TBM-EPB Agata
Per la realizzazione della galleria naturale della nuova tratta Nesima-Misterbianco è stata utilizzata una TBM scudata, ribattezzata Agata in onore della patrona della città (Fig.3).
Per fronteggiare la necessità di realizzare uno scavo che interessasse sia l'attraversamento in roccia, che in materiali fortemente abrasivi come le brecce vulcaniche, si è optato per l'utilizzo della tecnologia EPB, in grado di garantire l'avanzamento in modalità chiusa durante lo scavo degli ammassi incoerenti e in modalità aperta in corrispondenza dello scavo in roccia.
Il vantaggio nell'optare per lo scavo con TBM-EPB 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. La caratteristica delle TBM-EPB è infatti quello di sostenere il fronte scavo utilizzando lo stesso materiale estratto, mettendolo direttamente in pressione mediante la spinta della macchina.
Il principio è quello di provocare un accumulo di materiale nella camera di scavo della macchina, controllandone opportunamente l'evacuazione, e misurando la pressione di terra che ne consegue, in modo da assicurare che il suo valore venga mantenuto conforme alle necessità derivanti dai calcoli di stabilità.
Le parti essenziali che costituiscono una TBM sono:
- la testa rotante;
- lo scudo protettivo, separato dalla camera di scavo per mezzo di una parete stagna;
- il sistema di spinta con martinetti longitudinali, che garantiscono l'avanzamento della macchina agendo in contrasto sul rivestimento in conci prefabbricati.
Il condizionamento dello smarino avviene iniettando al fronte bentonite, schiumogeni e polimeri, con lo scopo di creare una sorta di pasta il più omogenea possibile per gestire la pressione all'interno della camera e per garantirne l'evacuazione.
Il materiale di risulta viene poi estratto dalla camera di scavo mediante una coclea, che rappresenta il mezzo di regolazione e controllo della quantità di materiale estratto. Risulta fondamentale, infatti, controllare il volume estratto attraverso la coclea per poter intervenire nel caso in cui si estragga più materiale del teorico (sovra-scavo) o meno materiale del teorico (sotto-scavo).
Contemporaneamente allo scavo, lo scudo della TBM si sfila dall'anello formato da elementi prefabbricati in calcestruzzo (conci), costituente il rivestimento definitivo, ed il vuoto anulare rimanente tra la superficie di estradosso dell'anello e il profilo naturale del terreno viene riempito con iniezioni di malta a pressione. Gli ugelli di iniezione della malta sono montati nella parte terminale dello scudo il quale è protetto verso l'interno dal potenziale ingresso della malta, mediante diverse file di spazzole tra le quali è iniettato in continuo grasso con opportune caratteristiche.
Nello specifico, la TBM Agata è una macchina scudata che realizza un diametro di scavo pari a
10.60 metri, installando conci prefabbricati in calcestruzzo armato fibro-rinforzato, di lunghezza 1.5 m e spessore 32 cm, e lasciando fruibile un tunnel con diametro interno di 9.60 metri (Tabella 2).


Analisi di stabilità del fronte scavo nelle Brecce Vulcaniche

La stabilità del fronte scavo, durante le fasi di realizzazione di un tunnel, risulta essere oggi giorno una problematica geotecnica molto complessa, la cui risoluzione diventa una prerogativa fondamentale da affrontare durante la fase di progettazione[1].
Ai fini della stabilità dello scavo, gli strati di terreno al fronte devono avere una resistenza sufficiente a bilanciare le forze prodotte dall'asportazione di terreno. Se così non fosse, la massa di terreno davanti al fronte potrebbe collassare e portare alla formazione di fenomeni deformativi in superficie. Per evitare tale inconveniente è necessario garantire una pressione di sostegno in corrispondenza del fronte scavo, in grado di controbilanciare la pressione generata dal suolo, dall'eventuale presenza di acqua e dai sovraccarichi sovrastanti. Tale pressione di bilanciamento è comunemente denominata nella letteratura tecnica Face Pressure[8]. L'obiettivo cardine di un'analisi di stabilità del fronte scavo diventa pertanto quello di andare a determinare la minima pressione di supporto che impedisca allo stesso di collassare durante le fasi di avanzamento.
Al fine di analizzare la stabilità della configurazione di scavo in breccia vulcanica, durante l'avanzamento in modalità EPB, è stato realizzato un modello FEM 3D in grado di indagare sui movimenti di estrusione e calcolare la minima pressione di supporto del fronte.
Per la realizzazione di tale modello è stata presa come riferimento la configurazione geometrica di scavo illustrata in Fig. 4. Tale geometria è caratterizzata da uno scavo a piena sezione in breccia, con un battente piezometrico situato a 17.4 m dal piano campagna e una profondità dell'asse di tunnel di 22.7 m. La stratigrafia è caratterizzata dalla presenza esclusiva di breccia sormontata, in corrispondenza del piano campagna, da uno spessore di circa 2.6 m di depositi detritici.
Per la modellazione della risposta meccanica dell'ammasso è stato utilizzato un legame costitutivo elasto-perfettamente plastico con legge di rottura di Mohr-Coulomb e legge di flusso non associata (angolo di dilatanza nullo), i cui parametri meccanici sono riportati in Tab. 3.
LA TBM è stata modellata in maniera semplificata prendendo in considerazione solamente lo scudo esterno, trascurando l'effetto di disturbo al fronte dovuto alla rotazione e alla presenza della testa e riproducendo l'azione di controspinta del fronte attraverso l'applicazione di carichi di pressione uniformemente distribuiti.
La TBM ha una geometria tronco-conica, con un diametro al fronte pari al diametro di scavo, 10.60 m, una lunghezza complessiva di 10.50 m e una contrazione del diametro massimo del 0.85%, che porta il diametro minimo in corrispondenza dello scudo di coda a 10.51 m (Fig. 5).
Lo scudo in acciaio è stato riprodotto utilizzando degli elementi plate[4], aventi spessore pari a 60 cm e legame costitutivo del tipo elastico-lineare (Tabella 4).
Per quel che riguarda la natura dei vincoli, ai nodi appartenenti alle facce di bordo verticali sono stati inseriti dei carrelli ad asse orizzontale, mentre per i nodi situati alla base del modello sono stati vincolati sia gli spostamenti verticali che quelli orizzontali, lasciando liberi i nodi presenti sulla superficie. Ai nodi di estremità del plate della TBM, sono stati invece vincolati gli spostamenti orizzontali e le rotazioni, in modo da consentire lo sviluppo del momento flettente. Il modello numerico così prodotto è raffigurato nella Fig. 6.
Per valutare il grado di stabilità del fronte sono state utilizzate in maniera integrata due differenti modalità di analisi, implementate sul software Plaxis 3D:
- Total Multipler Analysis: tecnica numerica che, partendo dalle condizioni a riposo, decrementa la pressione di supporto al fronte fin quando viene garantita la condizione di convergenza, ottenendo per ultimo il moltiplicatore di collasso caratteristico[12];
- Phi-C Reduction Analysis: tecnica numerica basata sullo Strength Reduction Method, utilizzata per ricavare il fattore di sicurezza Fs dello scavo[14].
Per tarare il modello numerico e stimare l'ordine di grandezza della pressione di supporto, si è scelto calcolare quest'ultima servendosi anche di metodologie analitiche.
A tal fine è stato utilizzato il metodo di Carranza-Torres et al. (2013) [5], metodo di calcolo innovativo, in grado di tenere in conto sia delle condizioni idrauliche dello scavo (impostando la configurazione più opportuna fra quelle rese disponibili dal metodo) sia delle condizioni di stabilità del fronte, attraverso la scelta di un opportuno fattore di sicurezza Fs (Fig. 7).
Carranza-Torres et al., hanno infatti proposto una riformulazione dell'equazione di Caquot (1934) introducendo un fattore di sicurezza Fs, in modo da poter adattare i parametri di resistenza del materiale alla condizione di incipiente collasso.
La soluzione estesa del metodo può essere scritta nella seguente forma generale.....

 

L'articolo è stato pubblicato a pag. 80 del n. 645/2020 di Quarry&Construction...continua a leggere abbonandoti alla rivista