Riassunto - lezione 4 - Gallerie: metodi costruttivi, comportamento e tipologie - a.a. 2015/2016 PDF

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Gallerie: metodi costruttivi, comportamento e tipologie...

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LE GA GALLER LLER LLERIE IE Studi e problemi geologici nei progetti di gallerie

Opere in sotterraneo Si tratta di infrastrutture civili realizzate nel sottosuolo nel campo dell'ingegneria stradale, ferroviaria, mineraria e idraulica. Si distinguono: -

Gallerie naturali cieco) Gallerie artificiali (scavo a cielo aperto, g. paramassi, g. paravalanghe, ecc.) Trafori (attraversano uno spartiacque di una certa importanza) Cunicoli (esplorativo, drenante, per consolidamenti, ecc.)

Altre tipologie di opere in sotterraneo sono le caverne (cavità sotterranee di grandi dimensioni) e i pozzi. A seconda che la realizzazione della galleria preveda l'apertura di una singola cavità o di due affiancate, la stessa cavità è detta rispettivamente “a singola o a doppia canna” (oppure a singolo o a doppio fornice). Col termine scavo, vengono invece contemplate tutte le operazioni connesse con l'asportazione del materiale geologico e la conseguente creazione della cavità. Con rivestimento di prima fase o rivestimento provvisorio sono indicati quegli interventi atti a conferire alla cavità appena aperta condizioni di stabilità a breve termine. Con rivestimento di seconda fase o rivestimento definitivo, sono indicati gli interventi finalizzati alla stabilizzazione a lungo termine dell'opera. Problematiche geologiche legate alla progettazione e costruzione di opere in sotterraneo La realizzazione di un’opera in sotterraneo consiste nell’asportazione progressiva di materiale da una ammasso naturale (roccia o suolo) per ottenere una cavità delle volute forme e dimensioni. Prima dello scavo, l’ammasso naturale, soggetto a uno stato di sforzo originario, è caratterizzato da condizioni di equilibrio (assenza di fenomeni di deformazione o movimenti di sue porzioni rispetto alle altre). Lo scavo modifica lo stato di sforzo all’interno dell’ammasso attraverso una deviazione delle tensioni sul contorno della cavità, con particolari concentrazioni di sforzi in prossimità delle sue superfici. L’ammasso naturale evolve quindi verso una nuova condizione di equilibrio a prezzo di deformazioni e, nel caso di rocce fratturate, movimenti reciproci tra i blocchi. L’entità dei fenomeni deformativi e dei relativi cinematismi dipende: -

Dalla forma e dalle dimensioni della cavità Dalle modalità, tempistiche e tecniche di scavo Dalle condizioni tensionali originarie Dal tipo di materiale.

Problematiche riscontrabili durante l'esecuzione di una galleria 1. natura litologica, assetto stratigrafico, assetto geologico-strutturale 2. morfologia 3. idrogeologia 4. reperimento di gas 5. rinvenimento di acque aggressive 6. fenomeni di alterazione e rigonfiamento 7. gradiente geotermico 8. sismicità 9. radioattività

2 1. Natura litologica, assetto stratigrafico, assetto geologico-strutturale 1a. Natura litologica Terreni sciolti: situazione gravosa (dipende da coesione, attrito e presenza di acqua). Se si tratta di terreni coesivi o di rocce rigonfianti o spingenti o rocce sottoposte ad elevati carichi litostatici si possono avere fenomeni di convergenza del cavo. In corrispondenza del fronte di scavo si possono avere deformazioni di tipo duttile con "estrusione" del fronte stesso, cioè con fuoriuscita di materiale dal fronte di scavo a causa della scarsa rigidezza del nucleo di avanzamento in relazione ai carichi agenti. Materiali lapidei: le problematiche geologiche dipendono da natura litologica e stato di fratturazione. Casi che si possono presentare: -

Rocce massive (ad esempio rocce magmatiche Ammassi stratificati e/o fratturati: la stabilità del cavo dipende da spessore degli strati, loro orientazione rispetto all'asse della galleria e caratteristiche strutturali della roccia.

Secondo la Basic Geotechnical Description dell’ISRM, i parametri utilizzati per definire i limiti tra terreni, rocce deboli (weak rocks) e rocce dure (hard rocks) sono la resistenza a compressione monoassiale e la coesione. I materiali aventi coesione inferiore a 0.3 MPa e resistenza a compressione monoassiale minore di 2 MPa sono considerati terreni, i materiali con resistenza a compressione variabile tra 2 e 20 MPa sono definiti “rocce deboli”, mentre i materiali con resistenza a compressione monoassiale superiore a 20 MPa sono indicate come “rocce dure”. Dal punto di vista puramente litologico una roccia può essere “debole” a causa di deboli legami dei componenti (es. argilliti, siltiti, marne, gessi, filladi, ecc.). 1b. Assetto stratigrafico Strati orizzontali: se lo spessore è elevato, il comportamento è analogo a quello di ammassi non stratificati; se lo spessore è ridotto saranno frequenti episodi di instabilità in calotta, per flessione e rottura di strati incapaci di autosostenersi e quindi destinati al crollo Strati subverticali: condizioni favorevoli se la galleria è perpendicolare alla direzione degli strati (effetto trave). Con il diminuire dell'angolo formato dalla direzione della galleria con la stratificazione le condizioni diverranno sempre più sfavorevoli, con strati la cui portanza è affidata unicamente alla resistenza al taglio presente lungo i giunti Strati inclinati: le condizioni di equilibrio variano in funzione della direzione dell'asse della galleria rispetto all'orientazione degli strati: -

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Galleria parallela alla direzione degli strati (galleria in direzione): sui paramenti spinte laterali dissimmetriche e costanti in senso longitudinale; problemi in caso di inclinazione degli strati > di 45° Galleria perpendicolare alla direzione degli strati (galleria traversobanco): al contorno della galleria carichi simmetrici, mentre in senso longitudinale si avrà una variazione di resistenza in funzione della natura e dello spessore degli strati di volta in volta intercettati Galleria che taglia "in obliquo" strati inclinati: situazione intermedia fra le due precedenti.

In base all’inclinazione con la quale interseco gli strati rispetto all’asse della galleria posso avere situazioni molto favorevoli o situazione molto sfavorevoli, dipende dall’angolo:

1c. Assetto tettonico Pieghe: ospitano tensioni residue di varia entità; in particolare si avranno sforzi di compressione in corrispondenza del nucleo e di trazione nella cerniera. Se le pieghe sono situate a grande profondità, gli sforzi

3 tensionali in gioco sono elevati e si può avere la brusca e violenta proiezione all'interno del cavo di blocchi di roccia contigui alla cavità (colpo di montagna). -

1. Anticlinale: modesti rilasci e crolli in calotta 2. Sinclinale: forti spinte laterali sui fianchi e venute d’acqua 3. Fianco di una piega: pressioni dissimmetriche

Faglie: le rocce sono più o meno cataclasate: le condizioni di autoportanza sono scarse o nulle. Il materiale può arrivare ad avere un comportamento assimilabile a quello di un materiale sciolto. Inoltre, le faglie costituiscono vie preferenziali per le acque sotterranee e per i gas, pertanto in galleria è possibile il reperimento di venute d’acqua di ingente portata o di gas nocivi. Sovrascorrimenti: problematiche analoghe a quelle delle faglie; in questo caso il basso angolo di inclinazione dell'elemento tettonico comporterà il reperimento di materiale scadente alla quota di scavo per tratte di particolare lunghezza. Zone di frattura: sono fasce di roccia molto più fratturata di quella circostante, talora cataclastiche, spesso con venute d’acqua anche in pressione 2. Problematiche geomorfologiche Gallerie superficiali: coperture costantemente ridotte, mai superiori a qualche diametro di galleria: da 0-10 m fino a 60 m di profondità. L’equilibrio delle pareti è influenzato dalla ridotta copertura in gioco e dalla conseguente presenza di materiali sciolti: eventuali dissesti. Inoltre, si ha l’influenza degli aspetti meteorici e della permeabilità dei materiali: cospicue venute d'acqua con conseguente alterazione delle rocce. Gallerie parietali: si sviluppano all'interno di un fianco vallivo con andamento trasversale allo stesso, mantenendo condizioni di copertura particolarmente ridotte (qualche metro al massimo) in corrispondenza del paramento di valle. Le problematiche connesse sono le medesime delle gallerie superficiali, con in più la presenza marcata di carichi dissimmetrici. Dove la copertura detritica è permeabile si hanno possibilità di infiltrazioni tramite discontinuità. Infiltrazioni dalla morena tramite discontinuità (particolarmente abbondanti in zone di frattura). 3. Problematiche idrogeologiche Fattori che favoriscono gli afflussi idrici in galleria: Presenza di materiale dotato di elevata permeabilità (terreni granulari, rocce permeabili per porosità o per fratturazione), di bruschi cambi di permeabilità, di dislocazioni tettoniche fortemente alimentate, di corpi soggetti a fenomeni carsici, di sinclinali, di alvei sepolti, di faglie, di sovrascorrimenti, ecc. Interazione fra galleria e falda: Se la galleria si trova al di sopra della falda, le problematiche sono molto ridotte; solo in presenza di ammassi rocciosi carsificati si possono avere venute d'acqua di ingente portata anche al di sopra della superficie piezometrica. Se invece la galleria si snoda al di sotto della falda gli afflussi idrici possono diventare così rilevanti da rendere difficile l'avanzamento. Perché sono importanti le acque sotterranee? -

L’irruzione delle acque sotterranee (venute d’acqua) mette a repentaglio gli operatori Alti afflussi creano alte forze di filtrazione che danneggiano la stabilità del cavo, attirando verso di esso tutte le acque circolanti La depressione piezometrica agisce sugli sforzi efficaci che gravano sulle discontinuità, influenzando la stabilità dell’ammasso

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Il drenaggio delle strutture idrogeologiche ad alta permeabilità determina impatti ambientali in superficie, con l’estinzione o il depauperamento delle sorgenti, e subsidenza, anche in rocce resistenti e in tunnel profondi.

4. Problematiche connesse al reperimento di gas Il reperimento di gas durante gli scavi può dare origine a situazioni particolarmente rischiose per l'incolumità delle maestranze, soprattutto se il gas è in pressione. La presenza di gas dipende da: -

Natura litologica delle formazioni intercettate (es: formazioni argillose possibilità di metano) Presenza di fratture beanti

Tipi di gas Metano: inodore, incolore, facilmente esplosivo se mescolato all’aria (grisou). Anidride carbonica: inodore, incolore, velenosa, aggressiva nei confronti del calcestruzzo, spesso associata al gas metano. Ossido di carbonio: inodore, incolore, molto velenoso. Ossidi di azoto: non velenoso, ma essendo leggero si concentra in calotta e provoca asfissia. Acido solfidrico: gas tossico, combustibile ed esplosivo se mescolato all’aria. Ha un odore molto sgradevole. Anidride solforosa: elevata tossicità e aggressivo con i calcestruzzi. 5. Problematiche connesse al rinvenimento di acque aggressive Durante gli scavi di una galleria é possibile intercettare acque in grado di aggredire chimicamente i calcestruzzi (Ph minore di 6.5) e, quindi, determinare il disfacimento del rivestimento definitivo dell'opera. Il loro rinvenimento dipende dai caratteri litologici delle formazioni attraversate dalle acque che raggiungono la galleria. Tipi di acque Le acque selenitose= ovvero ricche di solfato di calcio, sono di gran lunga le più aggressive: esse sono rilasciate da litotipi gessosi o anidritici; Le acque ricche di acido solforicosi possono incontrare, oltre che nei corpi gessosi, in terreni torbosi o argillosi con pirite; Le acque ricche in anidride carbonica libera, sono reperibili in presenza di depositi torbosi, di coltri superficiali ricoperte da boschi e di terreni ospitanti sorgenti mineralizzate connesse a fenomeni magmatici; Le acque ricche di cloruro e di solfato di magnesio (sempre associate a cloruro di sodio) si possono eccezionalmente incontrare in presenza di terreni appartenenti alla serie evaporitica. 6. Fenomeni di alterazione e rigonfiamento La presenza di acqua può determinare un deterioramento delle qualità geomeccaniche dei terreni e delle rocce con conseguente riduzione delle caratteristiche di resistenza ed aumento della deformabilità. L’alterazione(weathering) coinvolge due processi (chimico e meccanico) che spesso si combinano per decomporre le rocce: -

L’alterazione chimica determina anche cambiamenti di tipo mineralogico. L’alterazione meccanica determina la rottura della roccia in frammenti senza modificare il chimismo dei componenti mineralogici

L’alterazione è generalmente un processo che riguarda le porzioni più superficiali degli ammassi rocciosi. Tuttavia è possibile che l‘alterazione si estenda i profondità con gravi ripercussioni sulla stabilità e sulla circolazione idrica. Alcuni materiali si espandono o si contraggono in risposta al cambiamento di alcuni fattori ambientali (condizioni di umidità o secchezza, temperatura, ecc.). Il comportamento rigonfiante (swelling behaviour) è un aumento di volume dipendente dal tempo, che si manifesta nei terreni e nelle rocce che contengono minerali rigonfianti.

5 I materiali rigonfianti più diffusi sono quelli che contengono i minerali delle argille. Si possono avere fenomeni di rigonfiamento anche quando si ha la trasformazione dell’anidrite in gesso per imbibizione di acqua. Tali materiali, una volta privati del loro naturale confinamento a seguito dell'apertura della cavità, tendono ad aumentare significativamente di volume, alle volte anche in modo assai vistoso. Un metodo per vedere se i materiali sono o meno soggetti a fenomeni di rigonfiamento è quello di analizzare la composizione mineralogica del materiale e di utilizzare il grafico riportato qui accanto: 7. Problematiche connesse al gradiente geotermico Temperatura e pressione aumentano con la profondità; in media l’incremento di pressione è di circa 27MPa ogni 1000m di profondità, mentre l’incremento di temperatura (gradiente geotermico) è molto variabile e compreso fra 1,5 °C/100m e 5,0 °C/100m (mediamente 3°C ogni 100m). Tale variabilità è dovuta, per esempio, a infiltrazioni di acque fredde derivanti dallo scioglimento dei ghiacciai, alla presenza di permafrost o all’esistenza di masse magmatiche in raffreddamento poste a non grande profondità, oltre che alla evoluzione geodinamica locale. 8. Aspetti sismici E’ dimostrato che le opere sotterranee hanno una vulnerabilità sismica di inferiore a quella delle infrastrutture superficiali (strade, ferrovie, ponti, ecc.). Esse, infatti, hanno una flessibilità sufficiente per consentire le deformazioni imposte dal terreno circostante senza raggiungere il limite di rottura. Con un corretto dimensionamento del rivestimento e della geometria della sezione, si può conferire a queste strutture un buon comportamento sismico. In presenza di eventi sismici particolarmente violenti, esse possono divenire vulnerabili alle scosse, soprattutto se il terreno circostante è interessato da fenomeni di liquefazione o da movimenti lungo faglie. La vulnerabilità delle opere sotterranee ai sismi dipende: -

Condizioni geologiche: terreni a diversa rigidezza Assetto tettonico Profondità: l’entità dei danni diminuisce con la profondità dell’opera Posizione dell’opera sotterranea rispetto al fianco vallivo (parietale, superficiale, profonda) Dimensioni (maggiore è la sezione, maggiore sarà la vulnerabilità sismica) Tipologia della sezione (con o senza arco rovescio)

Tipologie di deformazione 1.

Inflessione longitudinale e deformazione assiale: si osservano lungo gallerie ad asse orizzontale, o prevalentemente orizzontale, quando le onde sismiche si propagano parallelamente o obliquamente rispetto all’asse longitudinale. 2. Ovalizzazione o distorsione della sezione trasversale: si verificano quando le onde sismiche si propagano in direzione perpendicolare, o quasi, all’asse longitudinale della galleria.

9. Radon e Amianto Vi sono zone della crosta terrestre che presentano una elevata radioattività naturale, ciò dipende dalla presenza di alte concentrazioni di minerali radioattivi come, per esempio, l’uranio, il torio e tutti gli elementi che derivano dal loro decadimento. Tra questi, il gas Radon e in particolare il Rn-222 (tempo di decadimento = 3,82 giorni) appartenente alla famiglia dell’isotopo dell’uranio U-238. Il Radon viene generato da alcune

6 rocce vulcaniche (quali lave, tufi, pozzolane), da alcuni graniti, marmi, marne e flysh che contengono minerali uraniferi o radio. La quantità di Radon rilasciata varia in funzione della permeabilità, densità, porosità e granulometria del suolo; dello stato in cui si trova il suolo (secco, impregnato d'acqua, gelato o coperto di neve) e delle condizioni meteorologiche (temperature del suolo e dell'aria, pressione atmosferica, velocità e direzione del vento). A temperatura e pressione standard il radon è inodore e incolore ed è solubile in acqua, mentre la sua concentrazione in atmosfera è in genere estremamente bassa, perché si disperde rapidamente. Come gas disciolto viene veicolato anche a grandi distanze dal luogo di formazione. I processi che determinano la migrazione del radon nel suolo sono essenzialmente tre: la diffusione, la convezione e il trasporto da parte di un fluido (soprattutto acqua). La diffusione e la convezione consentono lo spostamento del radon su distanze dell’ordine dei centimetri o dei metri, al contrario, il trasporto da parte di un fluido può determinare migrazioni per distanze maggiori. Se si rinvengono elevate concentrazioni di Radon allo stato gassoso nelle opere sotterranee in costruzione, si può ovviare all’inconveniente potenziando i processi di ventilazione, mentre se si rinviene nelle acque captate, esse devono subire gli opportuni trattamenti. L’amianto è un insieme di minerali silicati appartenenti alla serie dei serpentini e degli anfiboli. L’amianto è presente, in vene o in piccole fibre disperse, nelle rocce ultrabasiche, come le peridotiti, e nelle rocce metamorfiche quali serpentiniti e anfiboliti. Le polveri contenenti fibre d’amianto sono fortemente nocive per la salute. Quando i rilevamenti geologici e le indagini evidenziano la possibilità di incontrare rocce contenenti amianto è necessario: 1. Trattenere le polveri al fronte di scavo e durante le operazioni di caricamento e trasporto dei materiali scavati tramite annaffiatura con acqua (alla quale possono essere aggiunti dei tensioattivi). Tali acque dovranno poi essere avviate agli impianti di trattamento. Il fronte di scavo deve essere immediatamente coperto con calcestruzzo proiettato per isolare lo scavo dalla fonte di potenziale rilascio. 2. Impiegare mezzi di trasporto dei materiali dotati di cabina climatizzata, filtri antipolvere e cassoni chiusi. 3. Monitorare la qualità dell’aria in corrispondenza del fronte di scavo e del frantumatore. Si dovranno adottare impianti di aspirazione con filtraggio delle polveri 4. Impiegare un Piano di Lavoro di Dettaglio per il personale addetto ai lavori 5. Predisporre adeguati luoghi di stoccaggio per i materiali di risulta degli scavi.

Problematiche ambientali Le principali problematiche ambientali connesse alla realizzazione di un’opera in sotterraneo sono: -

L’innesco di cedimenti del suoli e/o di strutture e di movimenti di versante, L’estinzione di sorgenti e le alterazioni della falda, Lo stoccaggio e il riuso dei materiali di risulta dello scavo, La produzione di rumore, La generazione di vibrazioni, L’inquinamento delle acque sotterranee soprattutto in seguito alla realizzazione di eventuali consolidamenti tramite iniezioni L’emissione di polveri e inquinanti atmosferici.

Cedimenti dei suoli Lo scavo di un’opera in sotterraneo determina una deformazione dei terreni e delle rocce sul contorno dello scavo stesso. Tali deformazioni possono ripercuotersi in superficie sotto forma di subsidenze (cedimenti) e in alcuni casi degenerano fino a produrre collassi improvvisi. In generale, l’entità dei cedimenti, dipende da: Tecnica di scavo, Dimensioni e geometria dello scavo, Tipologia del materiale.

7 Nel caso in cui il cedimento sia prodotto da un fenomeno d...