3. Opere di Ingegneria
Scelta del tracciato e studio della sede stradale
76
Classificazione delle strade in base all’assetto
geomorfologico
- Strade in aree di pianura
- Strade in aree montuose
di fondovalle
a mezza costa
di cresta
77
3. Opere di Ingegneria
Problematiche di strade in aree di pianura
1. Rischi da dinamica fluviale
(esondazioni, erosioni)
2. Rischi di cedimenti per scadenti
proprietà geotecniche dei terreni
3. Problemi legati alla scarsa soggiacenza delle falde
(impaludamento, cedimenti)
78
Problematiche di strade in aree montuose
1) Strade di fondovalle
- problemi analoghi a strade di pianura
- stabilità dei versanti e scelta opere stabilizzazione
- dinamica del corso d’acqua
- opere (ponti, gallerie) per rettificare il tracciato
79
3. Opere di Ingegneria
Problematiche di strade in aree montuose
2) Strade a mezzacosta
- problemi connessi a stabilità versante predominanti
3) Strade di cresta
- problemi di erosione e frane sui due versanti, data la
maggiore esposizione agli agenti atmosferici
80
Definizioni e terminologia
Gallerie: infrastrutture civili realizzate nel campo
dell’ingegneria stradale, ferroviaria ed idraulica, in caso di
tracciato che interessa rilievi morfologici il cui attraversamento
esterno risulterebbe particolarmente complesso e/o oneroso, o
per motivi di carattere ambientale o urbanistico.
A) Gallerie naturali: le rocce e/o terreni inglobano
completamente la galleria (scavo a foro cieco).
B) Gallerie artificiali: scavo preliminare di trincea (scavo a
cielo aperto) e successiva copertura.
C) Gallerie parietali: gallerie naturali realizzate all’interno di
fianchi vallivi con coperture estremamente esigue sul
paramento di valle.
D) Gallerie paramassi: gallerie artificiali realizzate per
proteggere la sede stradale da caduta di massi.
81
3. Opere di Ingegneria
Definizioni e terminologia
paramento
Terminologia delle diverse parti di una galleria
82
Indagini geognostiche
- Fase preliminare: Informazioni bibliografiche e foto aeree:
indicazioni sulle direttrici più favorevoli.
- Indagini approfondite: in corrispondenza di tali direttrici:
rilevamento geologico (1:10.000 – 1:25.000); rilievi
geomeccanici di dettaglio su affioramenti rocciosi.
- Studio geomorfologico ed idrogeologico dell’area
- Risultati: elaborati tecnici in cui vengono evidenziate aree
critiche in cui sono necessarie ulteriori indagini
geognostiche (sondaggi, prospezioni geofisiche)
- Determinazione del tracciato più favorevole
83
3. Opere di Ingegneria
Elaborazione di un profilo geomeccanico di previsione
Esempio di profilo geomeccanico di previsione
84
Principali problematiche di natura geologica
durante la realizzazione di gallerie
1) Problematiche legate alla natura litologica ed
all’assetto stratigrafico - tettonico
- Terreni sciolti: situazioni sfavorevoli legate a scarse
caratteristiche di resistenza e presenza d’acqua.
- Roccia: problematiche legate a grado di fratturazione,
condizioni giaciturali in rocce stratificate, deformazioni
(pieghe, faglie).
85
3. Opere di Ingegneria
1) Problematiche legate alla natura litologica ed
all’assetto stratigrafico - tettonico
- Pieghe: ospitano tensioni residue di varia natura
86
1) Problematiche legate alla natura litologica ed
all’assetto stratigrafico - tettonico
- Faglie: presenza di materiale cataclasato (limo, breccia di
frizione) con autoportanza scarsa o nulla e circolazione
preferenziale di acqua
87
3. Opere di Ingegneria
2) Problematiche legate alle condizioni morfologiche
A) Gallerie superficiali
Condizioni di stabilità influenzate da:
- tipo di copertura, soprattutto se in presenza di materiali
sciolti
- fenomeni carsici
- dissesti superficiali
- fenomeni di alterazione superficiale
Fig.5.9 - La coltre di detrito e i depositi glaciali favoriscono l’infiltrazione delle acque
sotterranee che vengono convogliate in galleria attraverso le fratture della roccia.
88
2) Problematiche legate alle condizioni morfologiche
B) Gallerie profonde
- presenza di convergenze elevate
- Possibili bruschi detensionamenti con possibile violenta
proiezione di materiale in galleria (colpo di montagna)
- Possibile presenza di elevate temperature
89
3. Opere di Ingegneria
3) Altre problematiche
- Venute d’acqua (“inrush”): soprattutto in corrispondenza di
faglie/sovrascorrimenti, fratture, carsismo. Possono
comportare problemi per l’avanzamento.
- Reperimento di gas (anidride carbonica, ossido di carbonio,
ossidi di azoto, acido solfidrico, anidride solforosa)
- Rinvenimento di acque aggressive: in grado di aggredire
chimicamente i calcestruzzi.
- Rinvenimento di materiali rigonfianti (smectiti, illiti, caoliniti):
aumentano di volume e comportano deformazioni e
convergenza delle pareti
- Rinvenimento di amianto
90
Mezzi di scavo, metodologie di avanzamento e
tecniche costruttive
Mezzi di scavo
1. Scavo meccanico
- Mezzi di scavo tradizionali (pale
meccaniche, martelli demolitori, ecc.)
Pale meccaniche: riservate a
materiali incoerenti o
debolmente coerenti
Martelli demolitori (“martelloni”): per
rocce con caratteristiche scadenti o
per correggere profilatura di scavo
dopo abbattimento con esplosivo
91
3. Opere di Ingegneria
Mezzi di scavo
1. Scavo meccanico
- Mezzi di scavo non tradizionali
Frese: utilizzate per roccia
Scudi: per terreni o per rocce molto fratturate
92
Frese
- Frese ad attacco integrale o a piena sezione o TBM (Tunnel
Boring Machine): testa rotante, con diametro pari a quello
della galleria, con spinta ottenuta contrastando la macchina
alle pareti mediante cuscinetti azionati da dispositivi idraulici
Frese ad attacco integrale
(TBM): testa rotante con
diametro pari a quello della
galleria
93
3. Opere di Ingegneria
Scudi
Costituiti da camicia esterna, generalmente cilindrica, sulla cui
parte anteriore è collocato il sistema di scavo che varia a
seconda del tipo di scudo
94
2. Scavo mediante esplosivo
- Realizzazione di fori da mina nel fronte di scavo mediante
appositi mezzi ( “jumbo”) dotati di una serie di perforatrici
- Insieme di mine (“volata”) fatte
brillare contemporaneamente o in fasi
successive distanziate di millisecondi
(tecnica di “presplitting”),
95
3. Opere di Ingegneria
2. Scavo mediante esplosivo
Mezzi (“jumbo”) che
ospitano perforatrici
provviste di aste
metalliche (“fioretti”)
attrezzate all’estremità
con mezzi taglienti:
nei fori così realizzati
si inseriscono le mine
Volata
96
Tecniche costruttive
Principali fasi durante la realizzazione di gallerie:
1) Preconsolidamenti (eventuali) e precontenimento:
finalizzati a migliorare la qualità dei materiali da attraversare.
Iniezioni di miscele cementizie e/o chimiche, jet-grouting,
chiodatura del fronte di scavo.
2) Scavo
3) Consolidamenti radiali (eventuali) e contenimento del
cavo
Bulloni, iniezioni
97
3. Opere di Ingegneria
Tecniche costruttive
Principali fasi durante la realizzazione di gallerie:
4) Rivestimento di prima fase: finalizzato a conseguimento di
condizioni di equilibrio a breve termine della cavità
Spritz-beton eventualmente armato, centine
5) Impermeabilizzazione (eventuale, ma quasi sempre
presente)
Manto in P.V.C. su pareti di scavo
6) Rivestimento definitivo o di seconda fase
Getto di calcestruzzo eventualmente armato su pareti con
spessore variabile a seconda delle condizioni esistenti
(30-120 cm)
98
Definizione della qualità degli ammassi
A) Classificazione di Rabcewicz-Pacher
qualitativa; applicabile a rocce e materiale sciolto
99
3. Opere di Ingegneria
B) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR (Rock
Mass Rating)
Basata su 5 parametri:
1) Resistenza alla compressione, ottenuta tramite prova di
compressione monoassiale o Point Load Test
2) RQD
3) Spaziatura dei giunti
4) Condizione dei giunti: apertura, rugosità, grado di
alterazione, presenza o meno di materiali di riempimento
5) Condizioni idrauliche
- RMR: Somma dei valori assegnati ai 5 parametri (variabile
tra 0 e 100)
- Correzioni (tramite apposite tabelle) in base a rapporti tra
orientazione galleria e delle discontinuità
100
Point Load Test
- Prova di tipo monoassiale consistente nel comprimere il
campione posizionato tra due punte coniche comandate da
un sistema idraulico a pressione, fino a provocarne la rottura
- Si ottiene un Indice di Point Load dal quale si risale, tramite
una relazione empirica, alla resistenza a compressione
monoassiale del materiale.
101
3. Opere di Ingegneria
Point Load Test
Prova standard
Provino cilindrico D =50 mm
Is(50) =
P
D2
Modalità di esecuzione
- 10 prove
- Si escludono i due valori più alti e i due più bassi
- Si fa la media aritmetica dei restanti sei valori
102
RQD (Rock Quality Designation)
R.Q.D. =
Lunghezza degli spezzoni di carota > 10 cm
Lunghezza totale della carota
100
103
3. Opere di Ingegneria
B) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR
104
C) Classificazione di Barton o Q-system
- semiquantitativa
- applicabile ad ammassi rocciosi
Si basa sulla definizione dell’indice Q definito come:
dove:
- RQD (Rock Quality Designation): percentuale di recupero
di un sondaggio
- Jn: numero di famiglie di discontinuità
- Jr: scabrezza delle discontinuità
- Ja: alterazione ed il riempimento dei giunti
- Jw: presenza di acqua nei giunti
- SRF: stato tensionale dell’ammasso
105
3. Opere di Ingegneria
D) Indice GSI (Geological Strength Index) (Hoek, 1994)
Si basa sulla semplice identificazione, mediante apposita
tabella, di una categoria di appartenenza dell’ammasso
roccioso in esame, in funzione di una sua descrizione
qualitativa, nella quale si fa riferimento alle osservazioni in
sito, tendenti ad individuare le famiglie di discontinuità e le
condizioni delle loro superfici di contatto
L’indice GSI è stato introdotto per superare alcune lacune del
sistema di classificazione di Bieniawski, per quanto concerne
gli ammassi rocciosi scadenti.
Il metodo GSI permette inoltre di stimare i parametri di
resistenza al taglio dell’ammasso roccioso.
106
D) Indice GSI
107
3. Opere di Ingegneria
Tecniche di consolidamento
Tecniche utilizzate per migliorare le caratteristiche fisicomeccaniche dei terreni e delle rocce. Si possono distinguere
due gruppi di tecniche:
A) Interventi migliorativi
Causano un aumento di resistenza, andando a costituire uno
spessore di materiale consolidato all’intorno della zona dove
viene realizzata l’opera. Comprendono:
1. Iniezioni; 2. Jet grouting; 3. Congelamento; 4.
Compattazione; 5. Drenaggio
B) Interventi conservativi
Impiegati durante l’esecuzione di uno scavo in modo da
conservare il più possibile indisturbate le condizioni di
tensioni e deformazioni del terreno o roccia. Comprendono:
1. Armature; 2. Pretaglio meccanico
108
Interventi migliorativi: Iniezioni
Iniezione in rocce o terreni dotati di una certa permeabilità di
miscele cementizie o soluzioni chimiche all’interno di fori di
sondaggio.
109
3. Opere di Ingegneria
Inserimento di tubi in vetroresina (VTR) e iniezioni
110
Jet grouting
- Iniezione di miscele cementizie ad altissima
pressione
- Il getto provoca una disgregazione del
terreno, miscelandolo contemporaneamente
con un fluido cementizio stabilizzante fino a
formare una colonna di materiale con
caratteristiche meccaniche migliori rispetto al
terreno originario
- Adatto a terreni di qualsiasi granulometria
- Realizzazione di una serie di colonne di
terreno consolidato
- Diametro delle singole colonne: 80-100 cm
(terreni incoerenti); 40-50 cm (terreni coesivi)
111
3. Opere di Ingegneria
Jet grouting
- Trattamenti suborizzontali: a partire dal fronte di
avanzamento lungo il profilo estradosso
112
Interventi conservativi: Armature
Miglioramento delle caratteristiche meccaniche di terreno
o roccia fratturata mediante inserimento di elementi strutturali
più resistenti (barre, tubi, cavi in acciaio)
Armature passive o precompresse
Strutture disposte ortogonalmente rispetto all’asse del fronte
di scavo
Centine: tipo di armature
passive attualmente più
utilizzato. Armature
metalliche costituite da
profilati a doppia T,
montate in sito e
imbullonate tra loro.
113
3. Opere di Ingegneria
Infilaggi
Serie di armature portanti in acciaio disposte all’esterno della
sezione con andamento lievemente inclinato verso l’alto.
114
Ancoraggi
Miglioramento caratteristiche di resistenza al taglio e a
trazione lungo superfici di debolezza.
Tre tipi di ancoraggi:
- bulloni
- chiodi
- tiranti
115
3. Opere di Ingegneria
Scelta ubicazione di una diga di ritenuta
Sulla base di studi e considerazioni di carattere:
- Idrologico
- Morfologico - economico
Problematiche geologiche
1. Impermeabilità invaso
2. Stabilità sponde e versanti
3. Interrimento invaso
4. Stabilità substrato
5. Impermeabilità soglia
6. Reperimento inerti
116
1. Impermeabilità dell’invaso
Le acque che si raccolgono a monte dello sbarramento non
devono poter sfuggire lateralmente o dal fondo in quantità tali
da rendere l'opera poco conveniente, dal punto di vista
economico, o addirittura inutile.
Alcune condizioni di tenuta dell’invaso
117
3. Opere di Ingegneria
2. Stabilità delle sponde e dei versanti
Quando viene realizzato uno sbarramento, si deve porre
particolare attenzione alle conseguenze che la creazione del
lago artificiale può comportare sulla stabilità dei terreni
costituenti le sponde e i fianchi della valle sovrastante
l'invaso, nonché l'influenza che la costruzione della diga ha
sui pendii di imposta delle spalle
3. Interrimento dell’invaso
La vita media di un bacino artificiale dipende essenzialmente
dal suo interrimento e quindi del trasporto solido, la cui entità
dipende da vari fattori
Stima interrimento (vita media dell’invaso): applicazione
metodi di valutazione quantitativa perdita di suolo nell’area a
monte
118
4. Stabilità del substrato di fondazione della diga
Dipende da vari fattori:
Litologia del substrato: accertare presenza di rocce sfavorevoli
(es. gessi o calcari con fenomeni carsici)
Caratteristiche tecniche delle rocce (resistenza al taglio, a
compressione, ecc.) ed omogeneità litologica e tecnica
Disomogeneità litologiche o nelle
proprietà tecniche possono
determinare deformazioni
differenziali nella struttura
- Assetto delle discontinuità (stratificazione, scistosità,
fratturazione)
- Condizioni tettoniche: faglie, pieghe
- Sottopressioni: spinta dell’acqua alla base della diga
119
3. Opere di Ingegneria
5. Impermeabilità della soglia
L'impermeabilità dipende dalla natura, dalla struttura e dalla
fratturazione della roccia, nonché dall'andamento dei piani di
scistosità o dei giunti di stratificazione
120
Normativa di riferimento: Legge obiettivo 21.12.2001 n.
443
Linee Guida per il Programma di Monitoraggio
Ambientale (PMA)
Aspetti geologici di interesse:
1. Suolo e sottosuolo
2. Ambiente idrico
3. Rifiuti – Rocce e terre da scavo
121
3. Opere di Ingegneria
Monitoraggio grandi opere
Articolazione temporale del monitoraggio:
1. Monitoraggio ante-operam:
stato attuale dell’ambiente naturale relativamente alle sue
componenti fisiche
2. Monitoraggio in corso d’opera:
variazioni delle componenti fisiche indotte dalla realizzazione
dell’opera
3. Monitoraggio post-operam:
modifiche delle componenti fisiche avvenute rispetto alla
situazione di riferimento ante-operam
122
Programma di monitoraggio ambientale (PMA)
Aspetti da trattare:
1. Finalità (alla conoscenza di quali aspetti è finalizzato il
programma di monitoraggio)
2. Fattori per la definizione elementi rete di monitoraggio
(in base a cosa scegliere dove effettuare le misure)
3. Definizione elementi rete di monitoraggio (stazioni
misura, tipologia misure, parametri, frequenza, ecc.)
Settori di competenza geologica:
1. Assetto del territorio (versanti, corsi d’acqua)
2. Ambiente idrico sotterraneo (circolazione idrica, pozzi,
sorgenti)
123
3. Opere di Ingegneria
Monitoraggio gallerie
1. Processi di versante e deformazioni superficiali
- Possibile innesco di frane, soprattutto nelle tratte di
imbocco ed in gallerie superficiali che vanno ad interessare
materiali sciolti e coperture detritiche
- Deformazioni superficiali ed eventuali sprofondamenti
(“fornelli”) in tratte di gallerie a bassa copertura che
interessano terreni o rocce estremamente fratturate/carsificate
124
Monitoraggio gallerie
2. Impatti sulla circolazione idrica sotterranea e acque
superficiali
- Se la galleria si trova al di sopra della falda, le problematiche
sono ridotte; se invece la galleria si snoda al di sotto della
falda, gli effetti possono essere molto rilevanti
- Effetti generali: drenaggio delle falde, con perdita di risorse
idriche sotterranee, abbassamento dei livelli freatici nella zona
soprastante, variazioni delle portate in pozzi, sorgenti e corsi
d’acqua superficiali connessi alle falde
125
3. Opere di Ingegneria
Monitoraggio gallerie
- Impatti sulla qualità delle acque, con possibili rischi di
inquinamento durante la fase di cantiere per sversamenti
accidentali all’interno della galleria fino a quando non viene
impermeabilizzata
3. Impatti legati allo smaltimento del materiale di scavo
- Possibili alterazioni chimico-fisiche del suolo, del
sottosuolo, delle acque superficiali (corsi d’acqua) e
sotterranee , derivanti dalla movimentazione e dall’accumulo
del materiale di scavo delle gallerie
126
Monitoraggio gallerie
IMPATTI SULLA CIRCOLAZIONE IDRICA SOTTERRANEA
- Aree interessate da
carsismo: effetti accentuati
e spesso imprevedibili a
causa della complessità
del sistema di circolazione
sotterranea
Spaccato verticale
schematico di un sistema
carsico
127
3. Opere di Ingegneria
Gallerie TAV attraverso l’Appennino Toscano *
Anni tra 1996 e 2005: territorio provincia di Firenze
interessato dalle opere di cantierizzazione e scavo di uno dei
più importanti sistemi di gallerie ferroviarie realizzati in
Europa.
Finalità: collegamento Firenze – Bologna mediante Alta
Velocità / Alta Capacità ferroviaria
Tratta in questione (“TAV”) comprende 79 km di cui 73 in
gallerie, di cui in Provincia di Firenze 54.5 km di cui 45 in
galleria
da Canuti et al. (2009), Le gallerie TAV attraverso l’Appennino toscano:
impatto idrogeologico ed opere di mitigazione. Edifir, Edizioni Firenze,
207 pp.
128
Gallerie TAV attraverso l’Appennino Toscano
Effetti più importanti causati da intercettazione:
- generalizzato abbassamento dei carichi piezometrici,
conseguente allo svuotamento parziale o totale delle porzioni
acquifere di ammasso roccioso, che ha localmente esaurito e
diminuito la resa di pozzi
- riduzione della portata dei torrenti montani, riconducibile
a perdite in alveo, con prosciugamento completo nei periodi
di magra o comunque con flussi ampiamente inferiori al
Deflusso Minimo Vitale
129
3. Opere di Ingegneria
Geologia del tracciato
Profilo geologico lungo la linea TAV
130
Acque sotterranee intercettate dalle gallerie TAV
- A titolo di esempio si riporta il caso della Galleria Firenzuola
(km 15), la quale attraversa per gran parte della sua
estensione la Formazione Marnoso – Arenacea
- Idrogramma della portata in avanzamento: evidenzia
l’intercettazione di numerose strutture acquifere (ciò si è
verificato anche per le altre gallerie)
131
3. Opere di Ingegneria
Acque sotterranee intercettate dalle gallerie TAV
Idrogramma di drenaggio in avanzamento della galleria
Firenzuola con identificazione dei principali inrush
132
Analisi degli impatti desunta dal monitoraggio
- Sorgenti: 2 su 5 in media sono state influenzate, con
prosciugamento totale ed irreversibile per 33 sorgenti,
prosciugamento estivo per 21 sorgenti, o abbassamento di
portata per 15 sorgenti
- Torrenti: 17 aste torrentizie principali monitorate, delle quali
solo 3 possono considerarsi non influenzate, le altre 14
influenzate con vario grado di impatto (da riduzioni portata a
prosciugamento)
- Pozzi: su 35 monitorati, in 31 pozzi si è verificata
un’interferenza
133
