Insegnamento
di
Progetto di Infrastrutture viarie
Opere in terra
Caratteristiche di un terreno
Compressibilità e costipamento delle terre
Portanza sottofondi e fondazioni stradali
Instabilità del corpo stradale
Gallerie
Soprastrutture
Materiali stradali
Soprastruttura flessibili
Cenni di calcolo delle soprastrutture
Intersezioni e Impianti stradali
Intersezioni a raso e a livelli sfalsati
Aree di sosta
Progetto di Infrastrutture viarie
Gallerie (1)
Le gallerie sono utilizzate quotidianamente dalle popolazioni dei paesi più
industrializzati e tale utilizzo è destinato in futuro ad aumentare con il
crescere delle necessità della società moderna. Dalle gallerie ferroviarie
realizzate nella seconda metà del IXX secolo, a quelle stradali che hanno
contraddistinto lo sviluppo mondiale delle reti autostradali del XX secolo e, ai
giorni nostri e in un prossimo futuro, alle lunghe gallerie ferroviarie sotto le
Alpi. che interconnetteranno le nuove direttrici ferroviarie europee.
Già gli antichi Romani avevano introdotto tecniche di scavo in sotterraneo,
solo negli ultimi 200 anni però si può parlare di ingegneria delle gallerie:
durante questo periodo infatti sono andati affinandosi i metodi di scavo, i
calcoli delle opre di sostegno e di rivestimento, il controllo dei fattori
ambientali.
Per arrivare ai giorni nostri dove i diversi aspetti della progettazione e
realizzazione delle gallerie si sono ormai codificati attraverso consolidati
metodi progettuali e processi produttivi.
Tutto questo è stato reso possibile dallo sviluppo delle scienze della terra ed
ingegneristiche e dalle nuove e flessibili tecnologie che contraddistinguono i
moderni macchinari utilizzati che hanno reso possibile anche l’impiego di
materiali innovativi.
________
(1)
M. Bringiotti “ Guida al tunnelling - L’arte e la tecnica ”, Edizioni PEI, Parma, 1996.
Progetto di Infrastrutture viarie
Caratteristiche dell’ammasso
Per il progetto di una galleria è indispensabile conoscere le caratteristiche
dell’ammasso roccioso da attraversare ricorrendo ad un’analisi approfondita
già in fase progettuale. Ciò richiede l’impiego di metodologie e tecniche
d’indagine moderne e sofisticate.
Gli obiettivi che caratterizzano tali indagini riguardano:
• la litologia e l’assetto strutturale dell’ammasso,
• le problematiche dell’idraulica sotterranea o di eventuali altri fluidi (gas),
• le caratteristiche geomeccaniche delle diverse formazioni rocciose ed il loro
stato tensionale,
• le caratteristiche geologiche e strutturali che potrebbero influenzare la
distribuzione delle tensioni al contorno della galleria, durante e dopo lo scavo
della galleria.
Con queste indagini è quindi possibile disporre delle informazioni che
caratterizzano a larga scala il sottosuolo e quindi permettono di ipotizzare un
tracciato ottimale. Definito quindi l’asse del tracciato, si deve procedere alla
caratterizzazione completa dell’ammasso roccioso o attraverso un’indagine
geofisica di dettaglio o procedendo all’esecuzione preventiva di un cunicolo
pilota.
Progetto di Infrastrutture viarie
Indagini geofisiche di dettaglio
Le preliminari indagini geognostiche svolte, vengono integrate con le più recenti
tecniche di prospezione geofisica, unitamente alle relative metodiche di
elaborazione ed interpretazione. Lo scopo delle indagini geofisiche è quello di
ricavare dati relativi:
• alla geometria dell’ammasso roccioso e alle caratteristiche strutturali (forma e
consistenza dei diversi litotipi: stratificazione, discontinuità, cavità, ecc.),
• alla caratterizzazione del comportamento meccanico di tale ammasso
(parametri fisici correlabili con le caratteristiche geomeccaniche e litologiche
dell’ammasso).
Le metodologie d’indagine geofisica principali sono quelle sismiche e quelle
geoelettriche; si applicano pure i metodi gravimetrici, magnetici, elettromagnetici
e radioattivi. Le metodologie d’indagine sismica (tali metodi si sono sviluppati
nel settore della ricerca petrolifera) si basano su tre differenti tecniche:
• a rifrazione: sfrutta la diversa velocità di propagazione delle onde sismiche
nelle diverse formazioni ed è impiegabile per le indagini ove ad esempio sia
necessario definire la profondità di un basamento roccioso sotto coltri di terreno
detritico o alluvionale;
• a riflessione: permette indagini più profonde (sino a qualche chilometro di
profondità) e un’accurata definizione della geometria del sottosuolo (anche se
questa ha una forma complessa)
• per trasparenza (tomografia).
Progetto di Infrastrutture viarie
Cunicolo pilota
La tecnica che utilizza il cunicolo pilota permette l’esame visivo ed il prelievo
continuo di campioni di roccia lungo l’asse del tracciato e consente una
classificazione geomeccanica dell’ammasso attraversato, nonché l’analisi delle
tensioni e delle deformazioni puntuali. Per contro esistono difficoltà
interpretative legate a:
• non conoscenza delle caratteristiche della roccia al contorno (tetto),
• non estrapolabilità dei dati di deformazione e tensione (dalle dimensioni del
cunicolo a quelle della galleria),
• impossibilità a definire quelle anomalie geologiche o caratteristiche strutturali
aventi dimensioni comprese tra quelle del cunicolo e quelle della galleria.
Questi limiti impediscono la previsione di: sfornellamenti, di distacchi di placche
di roccia dal tetto in fase di allargamento della sezione ed erronea valutazione
delle spinte sui rivestimenti.
Nella figura 1 sono riportate le indagini necessarie per la caratterizzazione
dell’ammasso roccioso. In sintesi si può dire che con il cunicolo pilota si
possono ricavare informazioni su:
• caratteristiche geologiche: prelevando campioni lungo l’asse del tracciato, con
analisi: strutturale limitata all’asse del cunicolo e idrogeologica puntuale.
• caratteristiche geomeccaniche: con carotaggi e prelievi di campioni dal
cunicolo e con misure di deformazione e tensione.
Progetto di Infrastrutture viarie
Indagini per caratterizzare l’ammasso roccioso
Progetto di Infrastrutture viarie
Classificazione delle rocce
Le moderne metodologie di classificazione delle rocce finalizzate allo scavo di
gallerie tendono a considerare non solo lo scavo vero e proprio, ma anche
l’allontanamento (smarinaggio) del materiale di risulta (marino) e le opere di
sostegno (consolidamento preliminare della cavità scavata e definitivo
rivestimento).
Qui si fa riferimento alla classificazione da Von Rabcewicz (primo ideatore del
N.A.T.M. - New Austrian Tunnelling Method). Il metodo prende in
considerazione la capacità dell’ammasso roccioso di autosostenersi
attraverso il controllo del processo di ridistribuzione delle forza nell’anello di
roccia che circonda lo scavo e la scelta delle opere di sostegno.
Dal principio della resistenza (principio del contrasto e della rigidità) si è
passati al principio della resilienza (principio della deformazione controllata e
dell’elasticità). Dai rivestimenti rigidi, massivi e costosi si è passati a interventi
immediati e flessibili. Le operazioni di spritz beton (sprayed concrete) armato
o no, bullonatura a tenuta puntuale o totale, centinatura con centine
telescopiche collassabili (tollerano le deformazioni iniziali della roccia senza
danneggiarsi) caratterizzano tale metodo.
Prima di affrontare le diverse metodologie di scavo in base alle diverse classi
di appartenenza delle rocce che possono caratterizzare l’ammasso, si
accenna alla funzione svolta dall’anello roccioso che caratterizza tale metodo.
Progetto di Infrastrutture viarie
Creazione dell’anello roccioso
Scopo del metodo N.A.T.M. è quello di creare attorno allo scavo una zona di
roccia che abbia una sua funzione strutturale propria, tale da reggere una
parte dei carichi e la cui rimanente parte è affidata a supporti artificiali. In tal
modo le deformazioni indotte dovranno essere:
• contenute il più possibile per evitare che la roccia perda il meno possibile le
sue proprietà resistenti iniziali,
• sufficientemente grandi in modo da attivare un adeguato anello di roccia.
Al fine quindi di indurre un aumento della coesione c della roccia nella zona
dell’anello si procede:
1) spruzzando un sottile strato di betoncino (spessore del 1-2 % del
diametro delle cavità),
2) rinforzando, se necessario, il rivestimento di betoncino con fibre: d’acciaio
(30-40 kg/m3), rete elettrosaldata, bulloni e tiranti, centine telescopiche (di
diverso momento resistente e resistenza al collasso),
3) gettando un arco rovescio definitivo nella posizione più conveniente,
4) proteggendo, eventualmente, anche il fronte d’avanzamento con spritz
beton o tiranti in vetroresina (di diametro di 10 cm e lunghi 10-12 m da
collocare uno ogni 1-2 m2) tali da poter essere fresati o asportati in fase di
scavo,
5) usando i più moderni sistemi di misurazione per controllare le
deformazioni dello scavo in funzione del tempo che questo impiega a
deformarsi.
Progetto di Infrastrutture viarie
Metodologie di scavo e classe d’appartenenza 1
Le rocce dell’ammasso vengono classificate in 7 classi:
I - Stabile (roccia sana e massiva): lo scavo si autosostiene e le tensioni al
contorno non superano la resistenza della roccia; possibile quindi uno scavo
a tutta sezione con tempi di autosostegno di giorni in calotta ed illimitato in
parete.
II - Leggermente fratturata (roccia stratificata e leggermente fratturata): si
possono verificare distacchi in calotta (sono quindi necessarie opere di
sostegno), mentre le pareti verticali sono stabili (salvo distacchi locali);
possibile quindi uno scavo a tutta sezione con tempi di autosostegno di giorni
in calotta e settimane in parete.
III a - Fratturata e III b - Poco spingente (rocce da fratturate a molto
fratturate): il limite di resistenza viene raggiunto in parete e superato in calotta
con conseguenti distacchi; possibile scavo a tutta sezione (con volate brevi),
ma preferibile scavo a sezione parzializzata con tempi di autosostegno di ore
in calotta e giorni in parete.
IV - Spingente (roccia alterata, scistosa, fagliata): la resistenza della roccia
viene superata su tutto il contorno dello scavo (sono quindi necessarie opere
specifiche quali l’arco rovescio e la protezione del fronte di scavo); è
necessario procedere allo scavo con sezione parzializzata (calotta con più di
uno strozzo) con tempi di autosostegno di ore in calotta e giorni in parete.
(segue)
Progetto di Infrastrutture viarie
Metodologie di scavo e classe d’appartenenza 2°
(seguito)
Va - Molto spingente (roccia molto alterata completamente milonizzata):
l’apertura dello scavo provoca l’insorgere di forti pressioni in tutte le direzioni
e l’anello di roccia intorno allo scavo è completamente plasticizzato e tende
deformandosi e a restringere la sezione scavata; è quindi necessario
procedere allo scavo per sezioni parzializzate (per la stabilità del fronte di
scavo) con tempi di autosostegno nullo in calotta e di poche ore in parete e
sul fronte.
Vb - Materiale sciolto (terreni sciolti, franosi): lo scavo non può essere
affrontato con metodi convenzionali e si regola in funzione dei metodi di
sostegno con tempo di autosostegno praticamente nullo.
Per quanto riguarda le metodologie di scavo e le opere di sostegno (di
consolidamento) queste variano, non solo in relazione alla classe
d’appartenenza, ma anche con la posizione rispetto alla sezione (calotta,
fronte e arco rovescio).
Fondamentali sono le misure di convergenza che permettono di girono in
giorno di controllare ed adeguare le opere di consolidamento poste in essere.
Le stazioni di misurazione si distinguono in: principali (100 - 500 m) dove
vengono rilevate: le deformazioni della roccia, le pressioni radiali e
tangenziali, le misure di convergenza ed i rilevamenti geodetici; secondarie
(20 - 100 m) dove vengono rilevate solo misure di convergenza ed
eventualmente la geodetica in calotta ed in platea.
Progetto di Infrastrutture viarie
Preconsolidamento
Le operazioni di preconsolidamento permettono di procedere allo scavo in
condizioni di sufficiente sicurezza. Tali operazioni riguardano il contenimento
del livello d’acqua mediante drenaggi, l’eliminazione o la deviazione di corsi
d’acqua sotterranei che interferiscono con lo scavo, il controllo di infiltrazioni e
la stabilizzazione del terreno.
Le tecniche utilizzate per consolidare il terreno possono essere:
il drenaggio,
l’elettro-osmosi,
il grouting,
le iniezioni a bassa pressione,
il jet grouting,
l’infilaggio,
il congelamento.
Queste
tecniche
di
consolidamento
possono
essere applicate
congiuntamente all’uso di basse pressioni d’aria compressa sul fronte della
galleria. L’utilizzo di una miscela di cemento o bentonite misto a inerte risulta
vincente, perché riduce le perdite d’aria compressa dell’80 % e permette
l’utilizzo di un modesto compressore per ottenere la contropressione
necessaria).
Progetto di Infrastrutture viarie
Drenaggio del terreno
In presenza di acque, per limitarne l’influenza, il metodo usato più economico
è il drenaggio delle stesse.
La tecnica di base prevede la perforazione di un serie di pozzi su entrambi i
lati della galleria con lo scopo di abbassare il livello idrico e quindi diminuire la
pressione dell’acqua lungo il tracciato, utilizzando pompe sommergibili o in
aspirazione.
A tale scopo occorrerà valutare:
1) spaziatura tra pozzi, profondità e relativa portate delle pompe,
2) tipo di pompa da utilizzare,
3) presenza di particelle sospese nel fluido da aspirare,
4) eventuali fenomeni di subsidenza indotti,
5) permeabilità del terreno,
6) struttura del piano di scorrimento delle acque.
Al fine di quantificare la portata d’acqua da pompare da un pozzo, occorre
tener conto della velocità di flusso dal pozzo, del coefficiente di permeabilità,
della densità, dell’altezza della falda e della sua distanza dalla galleria, ecc.
Un metodo economico ed applicabile ad abbattimenti di falde poco profonde
(4-5 m) è il sistema Wellpiont (pompa munita di un depressore e punta
perforante-filtrante).
Progetto di Infrastrutture viarie
Elettro-osmosi
Questa tecnica è usata per stabilizzare argille sciolte e sabbie che presentano
problemi ad essere drenate mediante i normali pozzi.
Il metodo si basa sul principio dell’elettrolisi: se si fa passare corrente
continua tra due elettrodi infissi nel terreno impregnato d’acqua, si provoca
una sua migrazione dall’elettrodo positivo (anodo) a quello negativo (catodo).
Adottando un pozzo come catodo, è possibile emungere l’acqua attraverso un
sistema di pompaggio.
Infatti le superfici delle particelle del terreno portano una carica negativa,
mentre gli ioni positivi (cationi) in soluzione sono attratti verso tali particelle
concentrandosi sulla loro superficie. Applicando una differenza di potenziale
tra due elettrodi, gli ioni positivi legati alle particelle solide e le molecole
d’acqua legate agli ioni, sono attratte verso il catodo (pozzo) e respingono
l’anodo. L’acqua libera dentro gli interspazi delle particelle solide è attirata
verso il catodo per scorrimento viscoso.
Per la maggior parte dei terreni (sabbie, limi e argille), il Casagrande propone
un identico valore di velocità dello scorrimento elettro-osmotico pari a 0,5 10-4
cm/sec. (per un gradiente di 1 volt/cm).
L’elettro-osmosi risulta applicabile però in spazi aperti, pertanto non viene
utilizzata nello scavo delle gallerie (è utilizzata invece all’aperto, ad esempio
nel consolidamento dei fronti franosi).
Progetto di Infrastrutture viarie
Grouting
Il Grouting è l’iniezione di una miscela liquida sotto pressione negli spazi vuoti
del suolo, tra le fessurazioni delle rocce, in cavità artificiali, dietro i rivestimenti
di una galleria, ecc.. Il liquido col passare del tempo si solidifica per effetto di
reazioni chimico-fisiche. Lo scopo è duplice: da un lato rendere impermeabile
il terreno all’acqua e dall’altro di incrementare la resistenza del terreno
trattato.
Un Grout deve rispondere ad alcune proprietà: Stabilità (durante il processo
di mescola ed iniezione il materiale non deve sedimentare), Granulometria
(scelta in base al tipo di fessurazioni e alla capacità del gruppo di
pompaggio), Viscosità (misura la sua capacità di penetrare nel terreno),
Resistenza (capacità di resistere all’azione dell’acqua), Permanenza
(capacità di resistere ad attacchi chimici e all’elavazione dell’acqua corrente).
Il Grout si distingue in due classi:
• Grout di sospensione è formato da una miscela di cemento Portland, argille
e acqua (rapporto c/a: 0,1-0,4); l’apporto di argilla ha lo scopo di ridurre
l’impiego di cemento; inoltre vengono impiegati additivi (polivinile,poliestere,
estrusi plastici, trucioli di legno) in presenza di larghi spazi e d’acqua.
Vengono impiegati in ammassi rocciosi fessurati e porosi.
• Grout chimici o liquidi é composto da resine che formano un gel che,
riducendo la permeabilità dell’ammasso, lo rendono più resistente. Sono
adatti per terreni poco permeabili (dove il Grout di sospensione non sarebbe
produttivo).
Progetto di Infrastrutture viarie
Iniezioni a bassa pressione
Questa tecnica è usata per il consolidamento
del terreno in corrispondenza degli imbocchi
e degli sbocchi delle gallerie con interventi
dall’alto (per scarse coperture max.50 m) o
dal fronte (per coperture più elevate),
utilizzando perforatori (wagon drill) con
direzione di perforazione verticale nel primo
caso od orizzontale nell’altro. La maglia
d’intervento è da porsi in relazione con la
permeabilità e la consistenza dell’ammasso
roccioso e con la tecnologia produttiva: deve
essere tale che dopo il consolidamento, la
sezione di scavo e il suo contorno presentino
caratteristiche di resistenza tali da non
consentire rilasci durante le fasi di lavoro. In
figura 2 è illustrata la disposizione della
maglia dei consolidamenti.
Progetto di Infrastrutture viarie
Jet grouting
Questo sistema, messo a punto dai giapponesi negli anni 60 ed introdotto in
Italia negli anni 70 del secolo appena trascorso, ha ormai trovato notevoli
applicazioni non solo nella realizzazione di opere civili , ma anche nello scavo
di gallerie.
Con il termine “Jet grouting” si intende la realizzazione di colonne che, a
partire dal perimetro dello scavo, si sviluppino oltre il suo fronte
d’avanzamento e permettono di preconsolidare la zona di scavo, in presenza
di terreni incoerenti o debolmente coesivi. Tali colonne sono ottenute
iniettando una miscela cementizia, attraverso piccoli ugelli, con pressioni
molto elevate (sino a 600 atm o più).
Le tecniche prevedono di disgregare il terreno miscelandolo con una
sospensione cementizia o, in aggiunta, anche di rimuoverne la frazione più
fine (con jetting di aria e acqua) con effetto di parziale sostituzione.
La sequenza operativa, con riferimento alla tecnica di disgregazionesostituzione parziale, è riportata in figura 3 e si articola in due distinte fasi:
• perforazione (sino alla profondità richiesta) con una batteria di aste munita
al fondo di apposito dispositivo di iniezione (monitor),
• progressiva iniezione e contemporanea estrazione e rotazione del monitor.
Con tali trattamenti si possono ottenere per i terreni così trattati resistenze a
compressione variabili da 100 a 300 kg/cm2 in presenza di sabbie e ghiaie, di
20 - 30 kg/cm2 per formazioni limo-argillose sature di media-alta plasticità e
da 30 a 100 kg/cm2 per terreni da limosi poco argillosi a limo-sabbiosi.
Progetto di Infrastrutture viarie
Fasi realizzative colonna “Jet grouting”
Progetto di Infrastrutture viarie
Infilaggio
Questa tecnica consiste nello scavare una serie di fori (di 10-12 cm di
diametro e distanziati tra loro di 20 cm lungo il perimetro della galleria) in cui
vengono infilati dei tubi in acciaio di circa 140 mm con un’inclinazione di 5-6 °
rispetto l’asse della galleria. In tal modo da creare un ombrello protettivo sotto
il quale si possono svolgere le normali operazioni si scavo e consolidamento
per una lunghezza di 6-10 m.
La perforazione è realizzata con una perforatrice rotopercussiva (munita di un
martello fondoforo) e l’infilaggio del tubo invece è fatto usando un battipalo la
cui lunghezza determina l’ingombro della macchina.
Va ricordato che l’impiego di infilaggi metallici ha il grosso difetto di non
contribuire a far partecipare il terreno alla statica della gravità, sia a breve che
a lungo termine.
Progetto di Infrastrutture viarie
Congelamento
Il congelamento dei terreni ad alto contenuto d’acqua è un’operazione
costosa e specialistica, ma efficace per il temporaneo controllo e la stabilità
del terreno. Questa tecnica, applicabile quando le tecniche di Grouting non
risultano vincenti, prevede lo scavo di fori (generalmente dalla superficie o se
in galleria in varie posizioni), l’installazione di tubi refrigerati e la circolazione
di liquido refrigerante al loro interno. Il processo di congelamento quindi forma
una zona stabile ed impermeabile (ice wall) all’interno della quale la galleria
può essere scavata in sicurezza.
I refrigeranti utilizzati sono di due tipi salamoia e idrogeno liquido:
• Nel primo caso un impianto di refrigerazione raffredda la soluzione che
viene pompata in un pozzo anulare; la soluzione, dopo aver scambiato calore
con il terreno, ritorna all’impianto (i pozzi sono collegati in parallelo). Il suo
vantaggio è il basso costo, ma con lunghi tempi per ottenere un sufficiente
congelamento (20-25 giorni).
• L’impianto ad idrogeno liquido, invece, prevede uno solo scambio termico:
tra liquido e tubi refrigeranti; viene sfruttata la sua reazione con l’atmosfera
(da -196 ° a -60 °). Presenta due grossi vantaggi: bassi tempi per realizzare il
muro di ghiaccio (30-40 ore) e maggior semplicità dell’impianto, ma alto costo
dell’idrogeno e rischi di inquinamento (accumuli di azoto nell’atmosfera).
