Progettualità di interazione tra il fornice esistente e quello in fase di scavo

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PROGETTUALITÀ DI INTERAZIONE

TRA IL FORNICE ESISTENTE E QUELLO IN FASE DI SCAVO

NEL PRESENTE ARTICOLO SI EVIDENZIANO TRE FRA LE DIVERSE TIPOLOGIE DI PROBLEMATICHE AFFRONTATE DALLA PROMETEOENGINEERING.IT SRL NELL’ADEGUAMENTO DI GALLERIE ESISTENTI E LE RELATIVE SOLUZIONI PROGETTUALI CHE HANNO CONSENTITO LA REALIZZAZIONE DEGLI INTERVENTI PREVISTI

In Italia, che per la morfologia e l’orografia del suo territorio è il Paese europeo con il maggior numero di gallerie con circa 650 km di tunnel in esercizio sulla sola rete TERN (Trans European Road Network), la necessità di eseguire interventi strutturali in gallerie esistenti per assicurare livelli di sicurezza adeguati rappresenta un settore dell’ingegneria sempre più attuale. Le gallerie esistenti sul territorio italiano sono sovente caratterizzate da un rivestimento definitivo in stato ammalorato e degradato. In tali opere, la realizzazione degli interventi di adeguamento deve essere sempre preceduta da uno studio approfondito dello stato tensodeformativo dell’ammasso al contorno, già condizionato dallo scavo eseguito, e delle caratteristiche strutturali del rivestimento, in quanto si rileva costantemente la presenza di sottospessori e vuoti a tergo.

LA REALIZZAZIONE DEL SECONDO FORNICE DI UNA GALLERIA ESISTENTE

A seguito delle problematiche riscontrate durante l’avanzamento del nuovo fornice per il raddoppio di una galleria stradale esistente, l’Impresa esecutrice ha chiesto alla Prometeoengineering.it Srl di analizzare le cause e le possibili soluzioni delle anomale risposte agli scavi per la canna in costruzione e delle problematiche che si verificavano al contempo nella canna esistente, aperta al traffico. Pur confermando la geologia di progetto esecutivo, gli avanzamenti del secondo fornice erano caratterizzati da valori di deformazione estremamente variabili con applicazione della stessa sezione tipo a distanze di pochi metri, ed erano state registrate convergenze diametrali dell’ordine di 25 cm, con un comportamento difforme rispetto alle previsioni progettuali per il 55% del tratto scavato. Nel fornice esistente, invece, i fenomeni di interazione con gli scavi in corso avevano portato a distacchi di materiale che hanno determinato la chiusura temporanea della galleria al traffico.

1. Lo stato di fatto della galleria esistente

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In un tale contesto, risulta sempre necessario approfondire lo studio dei possibili fenomeni di interazione tra il fornice esistente e quello in fase di scavo, in quanto lo stato tensionale nel setto di separazione tra essi deriva dalla combinazione dei due regimi elementari di tensione competenti a ciascuna cavità. Il lavoro svolto dalla Prometeoengineering.it è stato quindi preliminarmente quello di svolgere indagini visive, georadar, installazioni di martinetti piatti e prove di laboratorio, le cui risultanze hanno evidenziato uno stato di generale degrado e di ammaloramento della galleria esistente, con presenza di diffuse venute d’acqua, rifacimenti puntuali in muratura, fratture nel rivestimento e frequenti sottospessori (Figura 1). Le analisi eseguite sullo stato tensionale della galleria esistente a seguito dello scavo della nuova canna hanno inoltre mostrato come, quando ancora la nuova canna non era stata realizzata, si avesse già una zona al contorno della galleria esistente che presentava plasticizzazioni prodotte dal detensionamento del terreno in conseguenza delle modalità esecutive degli scavi (mezza sezione, senza consolidamento del nucleo d’avanzamento). Tale fenomeno a sua volta poteva quindi generare instabilità e condizioni tensodeformative gravose per la canna in costruzione con convergenze difficilmente controllabili e la formazione di stati tensionali nella canna esistente che potevano ridurre sensibilmente i coefficienti di sicurezza (Figura 2). Al fine di garantire il ripristino dell’integrità strutturale della canna esistente e poter riaprire la galleria al traffico in tempi brevi, sono stati realizzati interventi di ripristino provvisorio nei tratti a maggiore criticità, costituiti da centinature con puntone in calotta, armatura tralicciata ed eventualmente puntone in arco rovescio, ricoperti da uno strato di spritz-beton (Figura 3). Per il fornice in costruzione, invece, l’intensa campagna di rilievi geognostici eseguita dal fronte di scavo e le prove di laboratorio condotte, se da un lato confermavano il quadro geologico di progetto dall’altro determinavano una sensibile riduzione delle caratteristiche di resistenza e deformabilità dell’ammasso.

3. Gli interventi per il ripristino provvisorio della canna esistente Per la ripresa degli avanzamenti si è quindi adottato un approccio molto più rigido, con uno stretto controllo e l’attenta regimazione delle deformazioni mediante l’utilizzo di centine più resistenti ed eventualmente puntone in arco rovescio. Nelle tratte a maggiore criticità, il controllo delle deformazioni è stato ottenuto con l’ausilio di chiodature radiali in aggiunta al rinforzo del nucleo d’avanzamento o mediante l’utilizzo di elementi valvolati in VTR a formare un arco consolidato al contorno ed elementi cementati al fronte (Figura 4). Entrambe le soluzioni hanno permesso di ridurre drasticamente le convergenze diametrali con evidenti benefici sia per la canna in costruzione sia per le ripercussioni sulla canna esistente, costantemente monitorata.

2. L’analisi FEM dell’interazione tra i fornici 4. La chiodatura al contorno del nuovo fornice

IL RIPRISTINO DEL RIVESTIMENTO E LA REALIZZAZIONE DEI BY-PASS IN UNA GALLERIA ESISTENTE

La realizzazione dei by-pass di collegamento tra i fornici di gallerie esistenti rappresenta sempre una lavorazione particolarmente delicata, in quanto risulta necessario tagliare il rivestimento della galleria e precedere all’esecuzione degli scavi in un ammasso disturbato, generalmente con presenza di traffico in uno dei due fornici.

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5A e 5B. I sottospessori (5A) e i vuoti (5B) a tergo del rivestimento

6A e 6B. L’interpretazione delle indagini georadar 7A e 7B. Interventi di ripristino del rivestimento esistente

Nella galleria in oggetto, per il diffuso stato di degrado ed ammaloramento del rivestimento definitivo, il progetto esecutivo di adeguamento prevedeva, preliminarmente alla realizzazione dei by-pass, l’idroscarifica ed il rifacimento dello strato superficiale del rivestimento mediante spritz-beton. Fin dall’inizio delle attività di idrodemolizione è stata tuttavia rilevata, su porzioni isolate di rivestimento, l’asportazione di volumi consistenti di materiale con conseguente formazione di depressioni localizzate sulla superficie che evidenziavano spessori ridotti e presenza di vuoti tra il rivestimento definitivo e quello provvisorio (Figura 5). Le evidenze hanno quindi reso necessario un approfondimento conoscitivo dell’effettivo stato del rivestimento definitivo nelle diverse zone della galleria mediante una specifica campagna di indagini, costituita da rilievi georadar, prove di martinetto piatto e carotaggi, condotta dapprima nelle sole zone di realizzazione dei by-pass e successivamente estesa a tutta la galleria in conseguenza dei risultati forniti. Le indagini hanno così evidenziato la situazione di grave compromissione del rivestimento definitivo, con la presenza di vuoti a tergo e presenza di sottospessori anche di 50 cm rispetto a quanto previsto in progetto, probabilmente dovuti alle modalità realizzative dell’opera, e valori di tensione e di resistenza del calcestruzzo estremamente variabili lungo la galleria (Figura 6). A seguito delle risultanze delle indagini, la scansione dei by-pass è stata modificata al fine di evitare le zone nelle quali l’apertura di cavità avrebbe potuto comportare problematiche di tipo statico e strutturale. I ridotti spessori riscontrati, congiuntamente con la scadente qualità del calcestruzzo, hanno inoltre imposto di prevedere la realizzazione di interventi di riqualificazione del rivestimento definitivo, tarati sullo stato della galleria e finalizzati al ripristino dell’adeguatezza statica dell’opera con adeguati coefficienti di sicurezza. In particolare, nelle tratte più critiche è stato previsto un intervento di blindaggio del rivestimento associato al riempimento degli eventuali vuoti mediante una boiacca di cemento al fine di favorire la corretta redistribuzione delle sollecitazioni sul rivestimento e prevenire forze impulsive dovute ad eventuale caduta di frammenti sovrastanti.

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8. Il blindaggio della galleria per lo scavo del by-pass

L’intervento, dimensionato mediante un modello FEM messo a punto sulla base dei risultati delle indagini, è consistito nell’idrodemolizione del rivestimento esistente per uno spessore massimo di 30 cm, e nel successivo getto di uno spessore di 30 cm di spritz-beton armato con centine reticolari accostate costituite da ferri ɸ24 a interasse 35 cm e staffe ɸ12 passo 20 cm che costituiscono l’armatura della nuova porzione di rivestimento, collegata al rivestimento esistente mediante inghisaggi per garantire il trasferimento degli sforzi al rivestimento della galleria (Figure 7A e 7B). Le analisi FEM condotte per lo scavo dei by-pass hanno invece evidenziato come lo stato di detensionamento dell’ammasso avrebbe potuto comportare instabilità in assenza di un adeguato sostegno agli scavi, rendendo necessario un consolidamento longitudinale realizzato mediante barre in VTR al fronte ed al contorno per migliorare preventivamente le caratteristiche meccaniche del nucleo di terreno da scavare. In considerazione delle incertezze relative alla capacità portante della struttura resistente della galleria, preliminarmente al taglio del rivestimento esistente è stato installato un portale di blindatura della galleria, costituito da centine HEA220, IPE180 e IPE240, dimensionato per contrastare le possibili spinte generate sul rivestimento esistente dall’apertura della cavità (Figura 8). Lo scavo è stato continuamente monitorato mediante l’installazione di una coppia di martinetti nella zona laterale a quella da demolire in ciascun fornice in modo da arrestare immediatamente l’avanzamento nel caso in cui fossero stati misurati aumenti significativi nello stato tensionale delle strutture.

IL RIPRISTINO DEL RIVESTIMENTO ESISTENTE CON INTERVENTI DI IMPERMEABILIZZAZIONE

Una differente tipologia di problematica in gallerie esistenti è relativa alla mancanza o alla rottura della membrana impermeabilizzante tra il rivestimento di prima fase ed il rivestimento definitivo, a seguito della quale, specie in contesti idrogeologici caratterizzati da terreni con permeabilità medio-alta, può determinarsi la percolazione delle acque all’interno del rivestimento definitivo della galleria e possono di conseguenza verificarsi fenomeni di degrado del rivestimento che, nel tempo, riducono la durabilità dell’opera oltre a comportare problematiche per la sicurezza dell’utenza laddove le acque presenti nell’ammasso raggiungono la piattaforma stradale. Nella galleria in oggetto, a seguito della rottura della membrana di impermeabilizzazione le venute d’acqua diffuse, che in un primo momento interessavano zone limitate della galleria, sono arrivate a generare l’ammaloramento del rivestimento definitivo su circa 500 m in entrambi i fornici della galleria (Figure 9A e 9B). Al fine di ripristinare il rivestimento ed evitare che nel tempo il fenomeno potesse generare problematiche di tipo strutturale, è stato quindi definito e progettato un sistema di iniezioni delle lesioni volto a ripristinare lo strato impermeabile a protezione del rivestimento definitivo della galleria. Ad eccezione delle lesioni che si presentavano ormai calcificate per effetto della deposizione di carbonato di calcio, sono

9A e 9B. Il degrado del rivestimento della galleria 10. Lo schema dei fori per le iniezioni

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quindi stati definiti differenti interventi di impermeabilizzazione costituiti da iniezioni di resine ad elevata penetrabilità e resistenza, di tipologia acrilica, epossidica o organo-minerale in funzione dello stato del rivestimento e delle problematiche riscontrate. L’intervento è stato eseguito mediante iniezioni a cavallo della lesione, in ragione di quattro fori per metro lineare di lesione, di diametro 10-12 mm, attrezzati con packer (Figura 10). L’esecuzione di un approfondito campo prove ha consentito di individuare e definire le modalità applicative di intervento (per esempio distanza tra i fori, angoli di iniezione in relazione alla tipologia delle fessure) e i volumi di miscela necessari al ripristino dell’impermeabilizzazione della galleria. Per il ripristino del rivestimento della galleria è stato quindi previsto l’utilizzo delle seguenti tipologie di resine per le differenti tipologie di intervento previste (Figura 11): • intervento di sola impermeabilizzazione: utilizzo di resina acrilica, materiale elastico con bassissima viscosità, quindi in grado di penetrare nelle lesioni capillari e di reagire in qualsiasi condizione, per saturare lesioni con o senza presenza di venute d’acqua o semi-asciutte; • intervento strutturale: nel caso di ripristino della continuità strutturale in assenza di venute d’acqua le iniezioni erano costituite da resina epossidica superfluida, materiale in grado di penetrare in lesioni millimetriche grazie alla sua bassa viscosità, e che possiede elevatissime resistenze meccaniche e ottima aderenza al calcestruzzo; • intervento strutturale e di impermeabilizzazione: nel caso di ripristino della continuità strutturale in presenza di venute d’acqua è stato invece previsto l’utilizzo di una resina organo-minerale, un prodotto bicompo-

nente in grado di reagire anche in presenza d’acqua e nello stesso tempo garantire continuità strutturale, impermeabile e flessibile, in grado di raggiungere resistenze superiori ai 30 MPa dopo poche ore dalla iniezione. Il suo limite risiede nella capacità di penetrazione a causa di una più alta viscosità rispetto alle precedenti soluzioni, per cui è in grado di saturare lesioni aventi ampiezze millimetriche. n (1) Ingegnere, Direttore Tecnico della Prometeoengineering.it 11. L’esecuzione delle iniezioni di impermeabilizzazione