Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2004 - IARG 2004 Trento, 7-9 luglio 2004

Bilotta, Russo e Viggiani

SOLLECITAZIONI IN RIVESTIMENTI DI GALLERIE REALIZZATE CON TBM

Emilio Bilotta, Gianpiero Russo e Carlo Viggiani Università di Napoli Federico II

bilotta@unina.it, pierusso@unina.it, viggiani@unina.it

Sommario

Le gallerie in costruzione nei grandi agglomerati urbani, per lo sviluppo di reti di trasporto su ferro, sono molto spesso eseguite con macchine scavatrici scudate (TBM) che consentono un impatto limitato sul costruito, un rapido avanzamento e un’agevole installazione del rivestimento. Si tratta, in questi casi, di un rivestimento realizzato per accostamento di conci prefabbricati, molto spesso in c.a., variamente giuntati. In questa nota si presentano i primi risultati di un’attività di monitoraggio sulla tratta in costruzione della Linea 1 della Metropolitana di Napoli, nell’ambito di una ricerca finalizzata alla migliore comprensione del comportamento di questa tipologia di rivestimenti e della sua interazione con il terreno.

Introduzione La previsione dei carichi agenti sul rivestimento di gallerie non è sempre agevole. Tali carichi sono il risultato di un interazione piuttosto complessa tra il terreno e il rivestimento, fortemente influenzata sia dalle procedure di scavo del terreno sia dalle tecniche di installazione del rivestimento. Un ruolo significativo gioca anche il comportamento strutturale del rivestimento, non sempre facilmente schematizzabile. L’analisi della letteratura mostra che a parità di tipologia di rivestimento e in condizioni di sottosuolo molto simili sono spesso stati progettati e realizzati rivestimenti con spessori significativamente diversi. Ciò indica, tra l’altro, che in molti casi il rivestimento è stato sovradimensionato, e che esistono margini di miglioramento dell’efficienza progettuale. Un passo importante in questa direzione è quello di ridurre i margini di incertezza, spesso causa di decisioni arbitrarie e cautelative. Chiunque si sia confrontato con il progetto di una galleria è ben consapevole del fatto che sono indispensabili decisioni sui parametri e sui modelli di calcolo, in alcuni casi difficilmente argomentabili. Negli ultimi anni, nelle nostre grandi città, si stanno realizzando molti chilometri di gallerie superficiali prevalentemente destinate allo sviluppo delle reti di trasporto su ferro. Tipicamente lo scavo di queste gallerie viene eseguito con TBM (Tunnel Boring Machines) che consentono velocità di avanzamento piuttosto elevate dell’ordine di decine di metri al giorno e, soprattutto, ridotti rischi di danni al tessuto urbano sovrastante. In questi casi il rivestimento, unico e definitivo del cavo, è segmentato e realizzato con conci in c.a. prefabbricato che la stessa TBM pone in opera. Questa tipologia, se da un lato consente un’economia di scala nella produzione del rivestimento, dall’altra comporta difficoltà indubbie di modellazione, in special modo se paragonata ai “semplici” rivestimenti monolitici gettati in opera. La natura segmentata del rivestimento è spesso trascurata in fase di

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progettazione, e ciò a vantaggio di sicurezza per quanto riguarda il livello di sollecitazione nei conci: studi recenti mostrano, tuttavia, che la presenza di giunti comporta notevoli riduzioni di sollecitazione, consentendo verifiche di resistenza meno severe e possibilità di riduzione delle sezioni strutturali. Nel Dipartimento di Ingegneria Geotecnica di Napoli da alcuni mesi è in corso un’attività di ricerca collegata, tra l’altro, all’osservazione del comportamento sia dei manufatti in superficie sia delle opere di scavo delle gallerie della Linea 1 della Metropolitana di Napoli. Le attività di monitoraggio sono appena cominciate e in questa memoria si illustrano sinteticamente gli scopi principali e i primissimi risultati.

Influenza dei giunti sulla rigidezza flessionale del rivestimento Uno dei fattori che influenza notevolmente l’entità delle sollecitazioni che insorgono nel rivestimento di una galleria, e che è spesso trascurato nella pratica progettuale, è la presenza dei giunti fra i conci del rivestimento. Già Muir Wood (1975) proponeva di modellare un anello di rivestimento segmentato come un anello monolitico avente un momento di inerzia ridotto equivalente:

2

e j4I I In

= +

(1)

essendo Ij il momento d’inerzia dei giunti, I quello che la sezione avrebbe in assenza di giunti, n il numero di giunti nella sezione (superiore a 4). Questa espressione fa riferimento a giunti equispaziati e prescinde dalla posizione dei giunti. Hefny et al. (2004) hanno di recente pubblicato i risultati di un’analisi numerica che mostra che sia il numero che la posizione dei giunti fra i conci influenzano sensibilmente le sollecitazioni nel rivestimento. Quest’analisi presuppone che i giunti siano distribuiti uniformemente: si tratta di una limitazione, dal momento che la maggior parte degli attuali rivestimenti prefabbricati prevedono un concio di chiave più piccolo, che determina una distribuzione disuniforme dei giunti. Uno studio numerico molto dettagliato è stato effettuato da Lee e Ge (2001), sulla base di un metodo di calcolo proposto da Lee et al. (2001) che modella l’anello di rivestimento con travi ad asse curvilineo connesse da molle rotazionali di rigidezza assegnata Kθ. Essi analizzano la possibilità di introdurre un’equivalenza del modello di Lee et al. (2001) con un modello ad anello monolitico, introducendo una rigidezza relativa K EIθλ = , per concio di profondità unitaria. Gli autori identificano un campo di variabilità di tale parametro per la maggioranza delle gallerie metropolitane in terreni sciolti: 0.03 0.3≤ λ ≤ . Questo parametro influenza significativamente il valore del rapporto eEI EIη = , che rappresenta un fattore di riduzione del momento flettente: all’aumentare di λ, η diminuisce e si riduce il momento flettente nella sezione. Nel campo di variazione tipica della rigidezza relativa del giunto, λ, il fattore di riduzione η varia fra 0.1 e 0.6, determinando riduzioni nella sollecitazione flettente estremamente importanti. Gli stessi Autori riportano infatti che l’Associazione d’Ingegneria Civile Giapponese raccomanda, in assenza di una determinazione di η in prove di carico sull’intero anello segmentato, di assumere in fase preliminare valori compresi fra 0.6 e 1.

Attività sperimentali in corso Il completamento della Linea 1 della Metropolitana di Napoli prevede la realizzazione della tratta Dante-Centro Direzionale in un’area della città densamente abitata. La gran parte del tracciato delle gallerie di linea si sviluppa nella formazione del tufo giallo napoletano. Solo la parte superiore dei grandi pozzi di stazione e la parte terminale delle gallerie di linea, che si sviluppa tra la stazione Garibaldi e il pozzo di introduzione degli scudi di Via Brin, interessa

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terreni piroclastici più o meno rimaneggiati e spesso sotto falda. Per questo motivo le preoccupazioni in termini di rischi di danno indotti sugli edifici sono prevalentemente circoscritte a tali opere. Nell’ambito delle attività di monitoraggio sulle gallerie sono previste misure di spostamenti in superficie e in profondità in diverse sezioni trasversali alla galleria (Fig. 1), e misure di deformazione in quattro anelli del rivestimento prefabbricato. Per tali misure si è fatto ricorso a estensimetri a corda vibrante annegati nel getto dei conci in stabilimento.

Figura 1. Tipica sezione strumentata lungo le gallerie di linea

Lo schema di installazione (Fig. 2) prevede 5 estensimetri per concio per un totale di 30 punti di misura in un singolo anello. Di fatto 4 estensimetri sono montati con asse ortogonale all’asse della galleria mentre il quinto è montato con asse parallelo all’asse della galleria in modo da fungere da testimone “scarico” rispetto alle sollecitazioni flessionali che si sviluppano nell’anello. Allo scopo di verificare il corretto funzionamento degli estensimetri e di ottenere informazioni utili all’elaborazione delle misure in galleria i singoli conci strumentati sono stati oggetto di prove di taratura in stabilimento. In Fig. 3 è riportata una foto del concio inserito nel telaio di contrasto usato per le prove.

Figura 2. Collocazione degli estensimetri nei conci strumentati

Figura 3. Prova di carico su concio

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o (k

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est 1est 2est 3est 4est 5

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prova 4

Al momento sono state eseguite le prove su 12 conci di due dei quattro anelli strumentati. Le prove sono state eseguite imponendo un sistema di carichi costituito da due forze normali applicate mediante due martinetti idraulici sulle due facce opposte del concio, equilibrate da due reazioni distribuite sulla superficie laterale del concio. Si è proceduto con incrementi di carico di entità costante e pari a circa 100 kN fino ad un carico massimo pari a 700 kN. L’attesa a carico costante protratta per circa 1 ora non ha evidenziato mai fenomeni viscosi apprezzabili. Per la geometria del concio l’applicazione di puro sforzo normale sulle due facce opposte produce presso-flessione nelle sezioni dove sono presenti gli estensimetri. Un dato molto importante è che tutti gli estensimetri installati hanno superato indenni la fase del getto. Alcuni esempi di misure effettuate sono riportate in Fig. 4.

Figura 4. Curve carico-deformazione (prove 4, 6, 10)

Si può osservare in primo luogo come le osservazioni siano sostanzialmente ripetitive. D’altronde le piccole differenze che si vedono possono essere attribuite a piccole variazioni nella posizione e nella direzione di applicazione delle forze sulle due facce oltre che delle due reazioni distribuite sulla superficie laterale. Il comportamento è marcatamente lineare dal lato delle fibre più compresse, mentre sul lato delle fibre meno compresse si osserva una evidente non linearità. Per concludere, e a ulteriore testimonianza della bontà delle misure, si commenta l’evidenza sperimentale relativa all’estensimetro testimone che, disposto con l’asse ortogonale al piano di presso-flessione, ha risposto alle sollecitazioni imposte mostrando un’evidente dilatazione nel piano ortogonale a quello di sollecitazione. Queste prove sono state eseguite allo scopo di semplificare l’interpretazione delle misure in galleria dal momento che, spesso, il processo di trasformazione delle deformazioni misurate in sollecitazioni nel rivestimento si presenta ricco di difficoltà e incertezze. Gli anelli i cui conci sono stati sottoposti a prove sono appena stati installati e le prime misure sono in corso di acquisizione.

Bibliografia

Hefny, A.M., Tan, F.C. e Macalevey, N.F. (2004), Numerical Study on the Behaviour of Jointed Tunnel Lining, Journal of The Institution of Engineers of Singapore, vol. 44 n.1, pp 108-118

Lee, K.M e Ge, X.W. (2001), The equivalence of a jointed shield-driven tunnel lining to a continuous ring structure, Canadian Geotechnical Journal, 38 (3), pp. 461-483

Lee, K.M., Hou, X.Y., Ge, X.W. e Tang, Y. (2001), An analytical solution for a jointed shield-driven tunnel lining, International Journal of Analytical and Numerical Methods in Geomechanics, 25(4), pp 365–390

Muir Wood, A.M. (1975), The circular tunnel in elastic ground, Géotechnique, 25, no.1, pp.115-127