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3. Opere di Ingegneria

Scelta del tracciato e studio della sede stradale

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Classificazione delle strade in base all’assetto geomorfologico

- Strade in aree di pianura

- Strade in aree montuose di fondovalle a mezza costa di cresta

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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)

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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

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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

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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.

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Definizioni e terminologia

Terminologia delle diverse parti di una galleria

paramento

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- 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

Indagini geognostiche

- Risultati: elaborati tecnici in cui vengono evidenziate aree critiche in cui sono necessarie ulteriori indagini geognostiche (sondaggi, prospezioni geofisiche)

- Determinazione del tracciato più favorevole

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Esempio di profilo geomeccanico di previsione

Elaborazione di un profilo geomeccanico di previsione

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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).

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1) Problematiche legate alla natura litologica ed all’assetto stratigrafico - tettonico -  Pieghe: ospitano tensioni residue di varia natura

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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

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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.

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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

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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

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1. Scavo meccanico - Mezzi di scavo tradizionali (pale meccaniche, martelli demolitori, ecc.)

Mezzi di scavo

Mezzi di scavo, metodologie di avanzamento e tecniche costruttive

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


1. Scavo meccanico - Mezzi di scavo non tradizionali

Frese: utilizzate per roccia Scudi: per terreni o per rocce molto fratturate

Mezzi di scavo

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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

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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

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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”),

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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

2. Scavo mediante esplosivo

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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

Tecniche costruttive

Principali fasi durante la realizzazione di gallerie:

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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)

Tecniche costruttive

Principali fasi durante la realizzazione di gallerie:

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A) Classificazione di Rabcewicz-Pacher qualitativa; applicabile a rocce e materiale sciolto

Definizione della qualità degli ammassi

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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

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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.

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Point Load Test Prova standard

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

Provino cilindrico D =50 mm

Is(50) = D 2 P

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Lunghezza degli spezzoni di carota > 10 cm

Lunghezza totale della carota R.Q.D. = 100

RQD (Rock Quality Designation)

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B) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR

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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

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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.

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D) Indice GSI

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Tecniche di consolidamento Tecniche utilizzate per migliorare le caratteristiche fisico-meccaniche 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

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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.

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Inserimento di tubi in vetroresina (VTR) e iniezioni

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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)

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- Trattamenti suborizzontali: a partire dal fronte di avanzamento lungo il profilo estradosso

Jet grouting

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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

Interventi conservativi: Armature

Centine: tipo di armature passive attualmente più utilizzato. Armature metalliche costituite da profilati a doppia T, montate in sito e imbullonate tra loro.

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Infilaggi Serie di armature portanti in acciaio disposte all’esterno della sezione con andamento lievemente inclinato verso l’alto.

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Ancoraggi Miglioramento caratteristiche di resistenza al taglio e a trazione lungo superfici di debolezza.

Tre tipi di ancoraggi: - bulloni - chiodi - tiranti

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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

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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


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

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4. Stabilità del substrato di fondazione della diga

Disomogeneità litologiche o nelle proprietà tecniche possono determinare deformazioni differenziali nella struttura

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

- Assetto delle discontinuità (stratificazione, scistosità, fratturazione) - Condizioni tettoniche: faglie, pieghe - Sottopressioni: spinta dell’acqua alla base della diga

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L'impermeabilità dipende dalla natura, dalla struttura e dalla fratturazione della roccia, nonché dall'andamento dei piani di scistosità o dei giunti di stratificazione

5. Impermeabilità della soglia

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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

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Monitoraggio grandi opere

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

Articolazione temporale del monitoraggio:

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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.)

Programma di monitoraggio ambientale (PMA)

Settori di competenza geologica:

1. Assetto del territorio (versanti, corsi d’acqua)

2. Ambiente idrico sotterraneo (circolazione idrica, pozzi, sorgenti)

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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

Monitoraggio gallerie

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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


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- 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


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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


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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.

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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

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Geologia del tracciato

Profilo geologico lungo la linea TAV

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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)

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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

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3. opere ingegneria - freedom.dicea.unifi.itfreedom.dicea.unifi.it/massimo.rinaldi/geoappii iat/3....

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