Lavoro di tesi a cura di LAURA NICOLETTI
Relatori:
CLAUDIO SCAVIA (Politecnico di Torino)
ANDREA BELLOCCHIO (ROCKSOIL SPA)
Scopo del lavoro di tesi di Laura Nicoletti, svolto in collaborazione con la Rocksoil S.p.A., è stato quello di illustrare l’applicazione di metodi numerici per lo studio degli aspetti di stabilità del fronte di scavo di gallerie naturali, analizzandone le differenze di comportamento in gallerie ad alte e basse coperture. Si tratta infatti di un fenomeno complesso che ha richiesto l’impiego di modelli costitutivi avanzati in grado di simulare una risposta che si avvicini il più possibile alla realtà del problema. A tale scopo sono stati realizzati due modelli, rappresentativi delle due situazioni “limite” di alte e basse coperture attraverso il codice alle differenze finite Flac 3D.
Lo studio presentato è stato tratto dal progetto della nuova linea ferroviaria ad alta velocità/alta capacità Milano-Genova (Terzo Valico dei Giovi) che ha rappresentato il contesto ideale per questa analisi, data la forte variabilità delle altezze delle coperture in gioco, che hanno raggiunto anche i 600 m di altezza. L’analisi si è focalizzata su una galleria ferroviaria a singolo binario con un raggio di scavo di 5m e altezza totale del fronte 10 m scavata, secondo l’approccio ADECO-RS (Analisi delle Deformazioni Controllate nelle Rocce e nei Suoli), a piena sezione con metodo meccanizzato.
Alla luce delle dimensioni del problema, è stata modellata una porzione limitata dell’ammasso oggetto di studio, di lunghezza 100 m in cui è stato valutato l’avanzamento di un tratto di scavo di lunghezza 30 m. Successivamente è stata fatta variare l’altezza della copertura al modello base, con la finalità di simulare i due casi. È stata poi adottata un’altezza di 20 m nei casi di basse coperture e 100 m per le alte coperture.
Entrambi i modelli geometrici sono stati elaborati nell’ambiente Extrusion di Flac 3D, effettuando così l’estrusione di una geometria bidimensionale a partire da un file dxf e ricostruendone successivamente i contorni in maniera automatica.
Figura 1: Modello numerico tridimensionale alle basse coperture
Figura 2: Modello numerico tridimensionale ad alte coperture
Di particolare rilevanza, l’intervento di sostegno al fronte che, in entrambi i casi, è stato realizzato mediante la messa in opera di 70 elementi in vetroresina cementati (VTR), disposti secondo cerchi concentrici di raggio variabile, che hanno avuto una duplice finalità nei confronti del fronte. Infatti, oltre ad operare un’azione di consolidamento, ne riducono le deformazioni ed il conseguente potenziale rischio di instabilità. Gli elementi, di lunghezza 24 m, sono stati modellati per gruppi utilizzando elementi “pile” partendo dalle sole coordinate dell’elemento e realizzati attraverso un’operazione di offset.
Il rivestimento provvisorio è invece stato modellato con una successione di elementi strutturali tipo “shell”.
Lo scavo a piena sezione e l'installazione del rivestimento sono condotti in modo incrementale attraverso una successione di singoli sfondi da 1 m in accordo con lo schema di progetto. La modellazione è stata eseguita adottando un modello costitutivo elastico lineare. L’intero processo è definito in una funzione FISH.
Figura 3: Geometria scavo a piena sezione e interventi tipologici
I risultati ottenuti dalle analisi fatte sui due modelli hanno confermato le differenze di comportamento attese tra le gallerie a basse e alte coperture, andando ad evidenziare la diversità nei confronti della stabilità del fronte e dei meccanismi di collasso. Questo risultato si ripercuote con importanti conseguenze anche sul sistema di consolidamento, ma soprattutto sull’approccio alla progettazione, mostrando come anch’esso deve essere diversificato nei due casi.
Questa divergenza di comportamento, infatti può essere apprezzata solo attraverso la realizzazione di modelli tridimensionali, in quanto quelli analitici, presenti in letteratura, non sono in grado di cogliere questo aspetto, fornendo soluzioni valide solo per situazioni di basse coperture.
Pertanto, lo studio effettuato ha cercato di evidenziare i vantaggi dell’utilizzo di un’analisi tridimensionale nella pratica progettuale, sottolineando come i risultati di calcolo siano più affidabili e in grado di consentire notevoli risparmi futuri in termini operativi ed economici.
Figura 4: Spostamenti a fine scavo alle basse coperture
Figura 5: Spostamenti a fine scavo alle alte coperture