CEDIMENTI
INDOTTI DA GRANDI SCAVI IN AMBIENTE URBANO: IL
CASO DELLA STAZIONE SAN PASQUALE A NAPOLI
Silvia Autuori
Dipartimento di Ingegneria Civile Edile ed Ambientale DICEA dell’Università degli Studi di Napoli
“Federico II”, [email protected]
Gianpiero Russo
Dipartimento di Ingegneria Civile Edile ed Ambientale DICEA dell’Università degli Studi di Napoli
“Federico II”, [email protected]
Marco Valerio Nicotera
Dipartimento di Ingegneria Civile Edile ed Ambientale DICEA dell’Università degli Studi di Napoli
“Federico II”, [email protected]
Sommario
Nella città di Napoli sono state realizzate importanti opere di ingegneria civile al fine di potenziare il
trasporto pubblico. Tra queste la stazione metropolitana di San Pasquale che è stata realizzata lungo la
Riviera di Chiaia in prossimità di numerosi edifici, alcuni di essi di notevole pregio. Il sottosuolo è
costituito da materiali piroclastici sciolti a tetto della formazione del tufo giallo napoletano. La
realizzazione dell’opera ha comportato la risoluzione di rilevanti problemi geotecnici ed il controllo
della interazione con il tessuto urbano circostante e pertanto è stata accompagnata da una attenta e
costante attività di monitoraggio. La nota è dedicata alla presentazione di alcuni dati di monitoraggio
che descrivono il comportamento dell’opera e dell’ambiente urbano circostante ed al loro confronto
con alcune analisi numeriche agli elementi finiti eseguite mediante l’utilizzo del programma di calcolo
PLAXIS 2D .
1. Introduzione
Si presentano alcuni dati di monitoraggio relativi alla stazione San Pasquale appartenente alla
costruenda Linea 6 della Metropolitana di Napoli tratta Mergellina – Municipio, ubicata nel cuore
della città di Napoli lungo la Riviera di Chiaia in corrispondenza del centro della Villa Comunale. I
dati riportarti si riferiscono al periodo che va da settembre 2008 a luglio 2014, ovvero al periodo
durante cui è stata completata la costruzione del rustico dell’opera; i dati in questione costituiscono la
base per il confronto con i risultati di alcune analisi numeriche.
2. L’opera
Il pozzo principale di stazione ha una forma in pianta rettangolare di 85.5 m × 24.1 m e profondità di
27 m circa. Il lato lungo del pozzo di stazione è disposto parallelamente all’allineamento dei fabbricati
e all’asse della galleria di linea. In Fig.1 sono riportate la planimetria e l'ubicazione della sezione
trasversale di mezzeria di Fig.2. Lo scavo principale è sostenuto da pannelli perimetrali a T in c.a.
(interasse 2.65 m , altezza=3.2 m, larghezza= 2.8 m, spessore ala = 1.2 m; spessore anima= 1.2 m)
profondi circa 50 m. In adiacenza ai lati lunghi del pozzo principale sono ubicate le due uscite,
all’interno di scavi profondi circa 10 m sostenuti da diaframmi perimetrali in c.a. di forma
VIA
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rettangolare (spessore=1.2 m) lunghi circa 22 m.
S13
S11
S12
P3
P5
P4
Fig 1. Pianta con ubicazione dei sondaggi e sezione trasversale della stazione San Pasquale
3. Il sottosuolo
V I L L A
Il piano campagna nella zona interessata dallo scavo si trova ad una quota costante compresa tra +2 m
s.l.m. e + 2.30 m s.l.m., il pelo libero della falda si trova in media a circa 1.30 m s.l.m. con piccole
ACQUARIO
oscillazioni stagionali. La stratigrafia ed il modello geotecnico sono
stati definti sulla base di diverse
campagne di indagini che hanno comportato l’esecuzione di sondaggi (Fig. 1), prove penetrometriche,
cross-hole, prove dilatometriche, prove di permeabilità Lugeon. Sono stati inoltre prelevati dei
campioni e sottoposti a prove di laboratorio. Inoltre dopo la realizzazione dei pannelli perimetrali è
stata eseguita una prova di pompaggio all’interno del pozzo, con verifica indiretta delle permeabilità
delle formazioni interessate. La stratigrafia è costituita da una alternanza di sabbie di spiaggia e
retroduna con sottili intercalazioni di cineriti e pomici fino ad una profondità di circa 20 m dal piano
campagna. La stratigrafia è costituita poi da un’alternanza di piroclastiti in sede e rimaneggiate fino
alla profondità di circa 40 m, al di sotto di tale quota si rinviene il tetto della formazione del tufo giallo
napoletano che presenta nell’area di stazione un andamento alquanto irregolare. Ai fini dell’analisi
numerica è stata schematizzata una sezione stratigrafica semplificata in corrispondenza della sezione
trasversale di mezzeria (Fig. 2). In particolare dall’alto verso il basso si distinguono i seguenti strati di
terreno: alternanze di riporti e sabbie marine fino alla profondità di 17 m (strato A); alternanze di
piroclastiti in sede e rimaneggiate dello spessore di 24 m (strato B); al di sotto di un cappellaccio di
tufo alterato di modesta coesione (strato C) si rinviene la formazione di tufo giallo napoletano (strato
T) (Ansaldo, 2010). I valori delle caratteristiche fisiche e meccaniche desunti dalle prove in sito e in
laboratorio sono tipici dei materiali piroclastici del napoletano (g=16,0018,00 kN/m3; f’=36°).
Quota [m slm]
STAZIONE
Fig 2. Sezione stratigrafica longitudinale e modello stratigrafico semplificato sezione trasversale
Silvia Autuori, Gianpiero Russo e Marco Valerio Nicotera
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4. Il monitoraggio
IN
PZ 4
4
IN
PZ
88
P6
PZ
01
(PZ) Piezometri elettrici
PZ 8
PZ
(PZ) Piezometri
IN
(IN) Inclinometri
EI
PZ
P5
77
P3
PZ
PZ
PZ
PZ
35
13
PZ
PZ
PZ
IN
P7
IN
1
1
PZ
ST
L
(STL) Staffe livellometriche
46
P4
PZ
PZ
PZ
PZ
PZ
PZ
PZ
24
PZ
PZ
PZ
(CS) Caposaldi
PZ
PZ
PZ PZ
13 14
PZ PZ
1 1
PZ PZ 1 2
10 9
PZ PZ
8 7
P1
ST
STL 0
L 3
02
05
01
Legenda
IN
PZ
PZ
04
ST
ST
S
S
C
C
C
C
S
03
02
PZ
PZ
P2
L
L
06
07
L
ST
09
08
L
ST
L
L
ST
ST
10
11
L
ST
ST
L
L
S
C
PZ
S
0
EI 8
PZ 5
C 5
S
07
PZ
1
C 5
S
06
C
S
05
C
S
04
11
6 CS
14
IN
6 CS
PZ 13
16
C
S
12
15
PZ
C
14
15
C
S
ST
ST
EI
PZ
S
16
S
C
L
L
1
ST 7
L
16
ST
ST
ST
L
L
1
ST 9
L
18
20
10
ST
L
13
C
S
ST 09
L
12
In Fig. 3 è riportata l’ubicazione degli strumenti utilizzati per il monitoraggio con la relativa legenda.
Per la sezione trasversale di Fig.2 sono diagrammati in Fig.4 i profili inclinometrici in termini di
spostamenti orizzontali misurati in durante alcune delle principali fasi esecutive (Tab.1). I profili sono
stati ricavati assumendo che lo spostamento all'estremità inferiore dell'inclinometro fosse nullo. Le
deformate mostrano comportamenti simili per i pannelli contrapposti rispettando comunque le
differenti condizioni di vincolo alla base (i.e. profondità del tetto del tufo) e in testa. Si nota che nelle
prime fasi esecutive le paratie hanno un comportamento a mensola; successivamente dopo la
realizzazione del solettone di copertura si osservano incrementi trascurabili degli spostamenti in
sommità. Il massimo spostamento orizzontale misurato per un pannello disposto sul lato degli edifici è
pari a 37.2 mm. Successivamente alla chiusura dei pozzi di aggottamento si osserva una riduzione
degli spostamenti orizzontali della paratia lato mare di circa 8 mm. In Fig.5 è diagrammato il profilo
dei cedimenti dei caposaldi disposti lungo i fabbricati, le diverse campiture contraddistinguono le fasi
lavorative riportate in Tab.1. Il profilo dei cedimenti mostra una conca di subsidenza che si
approfondisce e si allarga con l'avanzare dei lavori. In accordo con le misure inclinometriche, lo
spostamento massimo si misura in corrispondenza della mezzeria dello scavo (24.27 mm) al termine
dello scavo del pozzo principale (fase 10); in seguito alla chiusura dei pozzi di aggottamento si
produce una riduzione del cedimento massimo di 3.34 mm. Questo fenomeno è ovviamente
attribuibile ad una variazione delle pressioni interstiziali sia nel sottosuolo sia in corrispondenza del
perimetro dello scavo.
PZ
IN
EI
2
PZ
3
IN
3
EI
S
S
C
C
C
29
28
27
26
C
S
S
C
S
C
S
25
24
23
S
C
C
S
22
21
S
S
C
C
S
19
18
C
S
C
C
S
20
17
PZ
2
PZ
(EI) Estenso-inclinometri
Pannello strumentato
con inclinometro
Pannello strumentato
con inclinometro e
berrette estensimetriche
Fig 3. Planimetria della stazione San Pasquale con ubicazione degli strumenti per il monitoraggio
lato mare
lato edifici
5
SP_IN_P74 SP_IN_P41
Fase 9
Fase 10
Fase 11
Fase 10
Fase 11
CS 01
CS 03
CS 04
civ. 215
CS 05
CS 06
CS 07
civ. 207
CS 02
via
Bausan
CS 08
2
-5
civ. 1
CS 11
4
CS 12
RIPORTI
E SABBIE
MARINE
CS 13
-5
-10
civ. 202
0
Fase 2
Fase 4
Fase 8
CS 14
0
CS 15
SP_IN_P13
CS 16
SP_EI2
SP_IN_P6
0
-10
-2
-4
-20
-15
-20
-25
-25
-30
-30
PIROCLASTITI
-35
-35
-40
-40
-6
C edim enti caposaldi [m m ]
Fase 9
Fase 10
Fase 11
Quota [m s.l.m.]
Quota [m slm]
-15
CAPPELLACCIO
-45
-45
-50
-50
-8
-10
-12
-14
-16
-18
Fase 8
Fase 3
Fase 9
Fase 4
Fase 10
-22
Fase 5
Fase 11
-24
Fase 6
POZZO STAZIONE
-28
TUFO LITOIDE
4
-30
-55
0
35
30
25
20
15
10
5
0
15
10
5
0
0
5
10
15
0
5
10
15
20
25
30
35
Fase 7
Fase 2
-20
-26
-55
Fase 1
8
6,5
12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 100 104 108 112 116 120 124
20,2 26,8
37,9
49,7 56,6
67,3
78,6 85,3 91,5
Distanza progressiva caposaldi [m]
102,5 112,4 120,2
Risultante degli spostamenti [mm]
Fig 4. Spostamenti orizzontali delle paratie in
corrispondenza della sezione trasversale di mezzeria
Fig 5. Cedimenti in corrispondenza dei caposaldi disposti
lungo gli edifici
Silvia Autuori, Gianpiero Russo e Marco Valerio Nicotera
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FASE
DATA (dal..)
Scavi (m slm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
15/9/08
27/8/09
10/5/10
11/7/10
23/3/11
24/12/11
21/1/12
12/9/12
29/9/12
27/12/12
23/10/13 al
24/07/14
LAVORAZIONI
Aggottamento (m slm)
Altro
Paratie e jet grouting
Scavi archeologoci
pozzo centr. (-7)
pozzo centr. (-9)
pozzo centr. (-12)
pozzo centr. (-15)
pozzo centrale (-25)
discenderia lato mare (-9)
discenderia lato edifici (-13)
-4
Dewatering test (-22)
-10
-12
-25
-25
-29
-29
-25
fine aggottamento il
23/10/2013
TBM e copertura
solettone di fondo
CEDIMENTI MAX
fase
totali
(mm)
(mm)
-2,35
-2,35
-0,45
-2,8
-2,98
-5,78
-0,52
-6,3
-1,19
-7,49
-0,24
-7,73
-5,32
-13,05
-0,62
-13,67
-7,25
-20,92
-3,35
-24,27
3,34
-20,93
Tab 1. Fasi esecutive dell’opera
5. Analisi numerica
Un’analisi dello stato tensionale e deformativo dell’opera e del terreno circostante è stata condotta in
condizioni di deformazione piana con riferimento alla sezione trasversale di Fig.2. L’analisi è stata
eseguita utilizzando un programma di calcolo di calcolo agli elementi finiti (PLAXIS 2D rev.AE),
L’estensione del modello di calcolo è stata scelta in modo da ridurre al minimo gli effetti di bordo Il
reticolo impiegato per il calcolo (Fig.7) è costituito da 3539 elementi triangolari a 15 nodi di
dimensioni medie di 2.521 m per un totale di 29751 nodi.
Per quanto riguarda il comportamento meccanico dei terreni, agli strati superiori di terreno sciolto è
stato attribuito il modello costitutivo Hardening Soil i cui parametri sono stati stimati sulla base delle
prove CPT riportate in Fig.6. In particolare il modulo di rigidezza secante corrispondente al 50% del
deviatore a rottura E50 è stato assunto pari a 3 volte il valore della resistenza alla punta penetrometrica
qc mediata all’interno dello strato . La rigidezza di carico e scarico del terreno Eur è stata assunta pari
al doppio del modulo E50 e cioè pari a 6 volte il valore medio della resistenza penetrometrica.
Per gli strati sottostanti, il cappellaccio ed il tufo si è fatto ricorso al più semplice modello elastoplastico perfetto di Mohr Coulomb. I parametri utilizzati per i singoli strati sono riassunti nella Tab.2.
I diaframmi a T, in ragione delle notevoli dimensioni della loro sezione, sono stati modellati come
elementi solidi a comportamento elastico lineare isotropo (sono stati adottati diversi valori del modulo
E: per l’ala il modulo del calcestruzzo; per l’anima un modulo ottenuto per omogeneizzazione tenendo
conto della presenza di terreno tra le ali). Il solettone di copertura e i solai intermedi sono stati
modellati come puntoni elastici di opportuna rigidezza. La simulazione della costruzione si compone
di 24 fasi di calcolo definite in modo da riprodurre nel modo più realistico possibile quanto avvenuto
nel corso della realizzazione del manufatto. In questa sede, per ovvie ragioni di sinstesi, si descrivono
esclusivamente gli effetti prodotti dalla prova di dewatering (fase 3) e dalla chiusura dei pozzi di
aggottamento al completamento dello scavo e dell’impermeabilizzazione del pozzo principale (fase
11). In Fig.8 è riportata una rappresentazione a mappa di colori degli spostamenti verticali calcolati in
corrispondenza della fase 11. Si può notare che la zona di estensione dei cedimenti è pari a circa 3
volte la profondità di scavo; ciò evidentemente conferma quanto noto dalla letteratura (e.g. Peck,
1969). In riferimento al cedimento del caposaldo CS_08 (Fig.3), posto nella sezione di analisi a circa
24 m dal bordo dello scavo del pozzo centrale, si osserva che il valore calcolato è pari a 4.24 mm nella
fase 3 ed a 17.68 mm nella fase 11 subito dopo la chiusura dei pozzi di aggottamento; in entrambe le
condizioni il valore calcolato è minore di quello misurato (Tab. 1). Nelle Fig.9 e 10 sono rappresentati
gli spostamenti orizzontali misurati e calcolati dei pannelli P13 (lato mare) e P74 (lato edifici)
entrambi a sostegno del pozzo principale con riferimento alle fasi 3 e 11. Il confronto dei risultati del
calcolo con i dati di monitoraggio conferma che il comportamento deformativo delle paratie è
notevolmente influenzato dalla profondità del tetto del tufaceo, che funge da incastro alla base, e
l’importanza della profondità di rinvenimento di questa roccia tenera. In generale, sia per quanto
riguarda gli spostamenti orizzontali che verticali, la simulazione numerica qui presentata, sebbene
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riesca a cogliere il comportamento complessivo dell'opera, a volte sottostima gli spostamenti al
massimo del 20 % rispetto a quanto monitorato.
Fig 7. Mesh di calcolo della sezione 2D
Fig 8. Cedimenti a mappa di colore calcolati al termine
dell’aggottamento
Fig 6. Profilo CPT
lato mare
SP_EI2
SP_IN_P6
SP_IN_P13
SP_IN_P74
lato mare
5
lato edifici
SP_IN_P41
0
RIPORTI
E SABBIE
MARINE
5
PIROCLASTITI
35
-35
40
-40
CAPPELLACCIO
45
50
TUFO LITOIDE
25
-25
30
-30
PIROCLASTITI
35
-35
40
-40
CAPPELLACCIO
-45
-50
Fine scavo e aggottamento
misurato
calcolato
50
TUFO LITOIDE
55
45
55
-55
35
30
25
20
15
10
5
0
15
10
5
0
0
5
10
15
0
5
10
15
20
25
30
35
-55
Risultante degli spostamenti [mm]
Fig 9. Spostamenti orizzontali calcolati delle paratie a
sostegno del pozzo principale al termine della prova di
dewatering (fase 3)
Silvia Autuori, Gianpiero Russo e Marco Valerio Nicotera
35
30
25
20
15
10
5
0
15
10
5
0
-50
Prova di dewatering
misurato
calcolato
-20
0
5
10
15
0
5
10
15
20
25
30
35
-45
20
Quota [m slm]
Quota [m slm]
-30
10
Profondità [m da p.c.]
30
5
17
-15
Profondità [m da p.c.]
25
-25
0
RIPORTI
E SABBIE
MARINE
15
15
-20
SP_IN_P41
-10
17
20
SP_IN_P74
-5
10
-10
-15
SP_IN_P13
0
0
-5
5
lato edifici
SP_EI2
SP_IN_P6
Risultante degli spostamenti [mm]
Fig 10. Spostamenti orizzontali calcolati delle paratie a
sostegno del pozzo principale al raggiungimento della quota
di fine scavo e chiusura dei pozzi di aggottamento (fase 11)
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Strato
Prof.
[m]
γ
3
[kN/m ]
C
[kPa]
φ’ [°]
ur
k[m/s]
ref
E50
[MPa]
E oed
Eur
[MPa]
E
[MPa]
[MPa]
A
0 -17
18
0
36
6.9x10-7
0,3
39
39
78
-
B
17 - 41
16
0
36
1.46x10
-7
0,3
40
40
80
-
C
41 - 44
16
200
27
4.15x10-5
0,3
-
-
-
2400
T
44-…..
17
580
27
3x10
-5
0.3
-
-
-
6700
-5
0,3
-
6360
-
Tufogiallonapoletano
44 - 50
16
Tab2. Parametri dei modelli
utilizzati
500
27
3x10
6. Conclusioni
La simulazione numerica dello scavo della stazione metropolitana di San Pasquale qui descritta riesce
a cogliere in maniera soddisfacente il comportamento delle opere a protezione degli scavi e almeno
qualitativamente la risposta dell’ambiente urbano esterno per tutte le fasi di esecuzione dell’opera.
L’esatta ubicazione del tetto del tufo gioca un ruolo fondamentale alla fine della previsione dei
cedimenti. Altrettanto fondamentale è la corretta simulazione dell’aggottamento dell’acqua e dello
scavo. Il calcolo fornisce dei risultati in termini di cedimenti del piano campagna e di spostamenti
orizzontali delle paratie leggermente minori di quelli misurati.
Bibliografia
Ansaldo (2010). “Relazione geologica”.
Clough G.W., O’Rourke T.D. (1990). “Construction induced movements of in situ walls”, ASCE, geotechnical
special publication n° 25—design and performance of earth retaining structures,pp 439–470.
Fenelli G.B., Pagano L. (1997). “Osservazioni sul comportamento di un diaframma realizzato in terreni
piroclastici sciolti”, Proc. IV Convegno Nazionale dei Ricercatori di Ingegneria Geotecnica, pp.237,258.
L’Amante (2012). “Displacements induced by the installation of diaphragm panels”, ActaGeotechnica 7:203218.
Meyerhof G.G, Fellenius B.H. eds. (1985). “ Canadian Foundation Engineering Manual, 2 nd Edition”, Canadian
Geotechnical Society.
Peck R.B. (1969). “Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground, Proceedings”, 7thInternational Conference
on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Sociedad Mexicanade Mecanica de Suelos, A.C., Mexico
City, pp. 225-290.
Plaxis (2015), Manual Plaxis 2D 2015, Delft University of Technology & PLAXIS b.v., The Netherland, ISBN13:978-90-76016-18-4
Silvia Autuori, Gianpiero Russo e Marco Valerio Nicotera