Applicazione delle NIR 41 e 43 nella
progettazione di gallerie di grandi dimensioni
R. Acerbis – G. Barbieri – T. Collotta – A. Selleri
SPEA Ingegneria Europea SpA
4 Luglio 2013 – Scuola di Ingegneria e Architettura – Università di Bologna
Applicazione delle NIR 41 e 43 nella progettazione di gallerie di grandi
Titolodimensioni
intervento
R. Acerbis, G. Barbieri, T. Collotta, A. Selleri
Autori
“Le grandi dimensioni”
Si fa riferimento alle gallerie della
Variante di Valico tra Sasso Marconi e
Barberino di Mugello (16 gallerie, di cui
13 a doppia canna, per uno sviluppo
complessivo di 52 km di scavo) e delle
gallerie del Tratto Firenze nord –
Firenze sud dell’autostrada A1.
Si tratta di gallerie con dimensioni del
tutto eccezionali, presentando fronti di
ampia superficie, dell’ordine di 180 mq
o superiore.
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Autori
“Le grandi dimensioni”
Le “grandi dimensioni” hanno spostato i limiti di molte conoscenze e superato molte
“consuetudini” progettuali.
Eseguendo gli scavi “a piena sezione”, ci troviamo oggi ad operare, in sotterraneo, con
fronti di scavo alti anche 12-13 m ! Teniamo presente quanta enfasi verrebbe data
un’opera di sostegno all’aperto alta 13 m, in condizioni geotecnicamente difficili!! Quante
indagini verrebbero richieste e quante prescrizioni verrebbero date ad esempio per
un’opera in terra armata/rinforzata alta 12-13 m e posizionata al piede di un versante
instabile? Quanti elementi di rinforzo (le “bandelle” metalliche”) sarebbero necessari!!
Ma noi siamo costretti a riprogettare un’opera del genere ogni 6, 9 o al massimo ogni 12
m, in un ambiente geologico-geomeccanico che comporta variazioni trasversali e
longitudinali anche rapide. Si capisce allora il senso e la fondamentale importanza della
NIR 41, che abbraccia tutto l’iter progettuale ed esecutivo, finalizzata alla sicurezza degli
operatori a ridosso del fronte di scavo.
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Le nuove problematiche progettuali
Nella nostra esperienza appenninica, che ha previsto il confronto con diverse imprese e
diversi progettisti o consulenti delle imprese, le grandi dimensioni hanno comportato
una revisione di diversi aspetti progettuali e realizzativi, stante il fatto che proprio tali
grandi dimensioni hanno enfatizzato aspetti anche progettuali che con gallerie di piccole
dimensioni potevano sembrare governabili nella loro interezza, sia di indagine che di
analisi che di calcolo.
Sono aumentate infatti enormemente le forze instabilizzanti (anche 20.000 kN), le
difficoltà del controllo delle deformazioni del cavo, le difficoltà del controllo dei volumi
persi e delle deformazioni in superficie, anche nello scavo meccanizzato.
Oggi non è più inusuale sentire parlare di fronti di scavo consolidati con 120-130 VTR al
fronte, della lunghezza di 18 m e sovrapposizione di 12 m! impensabile pochi anni fa!
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NIR 41 e 43 - Gli aspetti innovativi
L’attenzione progettuale deve essere in particolare riservata alla ricerca di tutti i possibili
metodi/mezzi di indagine, di caratterizzazione geomeccanica, di analisi e di calcolo, di
tutte le possibili tecnologie e fasi dei lavori intese a redarre progetti con il massimo della
sicurezza possibile al momento della redazione del progetto. In merito agli aspetti
tecnologici e gestionali, la NIR richiede che in sede di progetto debba essere attentamente
valutata l’adottabilità delle più recenti soluzioni tecniche disponibili, prediligendo quelle a
minore intensità di lavoro manuale ed in grado di tutelare, al massimo livello desumibile
dai più avanzati risultati della ricerca tecnologica e gestionale, i lavoratori esposti al
pericolo di impatto conseguente a caduta di gravi.
Gli aspetti cruciali per la sicurezza devono essere evidenziati negli elaborati progettuali in
modo tale che al momento dell’esecuzione dei lavori sia possibile verificare rapidamente
se esistono eventuali ulteriori elementi di indagine, analisi e/o tecnologici in grado di
accrescere la sicurezza ed aumentare il controllo di tutte le attività al fronte.
NON È MAI TROPPO TARDI O TROPPO COSTOSO
AUMENTARE IL LIVELLO DI SICUREZZA
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ASPETTI DI ATTENZIONE NEL
PROGETTO di GALLERIE di GRANDI DIMENSIONI
•Orientamento delle problematiche progettuali e di controllo anche nei confronti della sicurezza
degli operatori al fronte di scavo;
•valutazione del rischio nelle fasi iniziali del progetto, mediante rapporto stretto fra progettista e
responsabile della sicurezza nella fase di progettazione;
•individuazione degli elementi critici per la sicurezza;
•controllo della stabilità globale e locale/puntuale dei fronti di scavo;
•pre-spritz;
•controllo fenomeni locali con interventi localizzati e tamponi con spritz beton di adeguato spessore
in occasione di ogni arresto del fronte;
•applicazione metodo osservazionale;
•indagini in avanzamento;
•rilievi geologici-geomeccanici dei fronti di scavo;
•modalità di controllo mediante raccolta ordinata e semplice dei dati di indagine in avanzamento,
rilievo e monitoraggio;
•maggior qualifica del personale tecnico coinvolto.
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ASPETTI DI ATTENZIONE NEL
PROGETTO di GALLERIE di GRANDI DIMENSIONI
In particolare:
• nuovi criteri di calcolo dei consolidamenti al fronte;
• DAC test;
• spessori adeguati del tampone con spritz beton al fronte in occasione di soste
prolungate, tarati sulla base delle esperienze via via acquisite;
• posa puntone in corrispondenza della terza centina dal fronte di scavo.
• misure per gli addetti alle letture al fronte (estrusimetri);
• “Progetto centina sicura”, finalizzato ad evitare operazioni di giunzione e posa
catene (in corso in A14 da parte dell’impresa Ghella Spa);
• monitoraggio: elaborazione del dato.
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Il metodo osservazionale
Una particolarità della progettazione di gallerie rispetto ad altre opere è che l’azione
sollecitante principale cui è soggetta l’opera (spinta dell’ammasso) NON è conoscibile in
modo dettagliato e sicuro.
In considerazione di ciò, le nuove Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. 14-01-08)
introducono la possibilità di ricorrere al metodo osservazionale nei casi in cui “a causa
della particolare complessità della situazione geotecnica e dell’importanza e impegno
dell’opera, dopo estese ed approfondite indagini, permangano documentate ragioni di
incertezza risolvibili solo in fase costruttiva”.
“When prediction of geotechnical behaviour is difficult, it can be appropriate to apply the
approach known as the observational method, in which design is reviewed during
construction” (EN 1997-1:2004, section 2.7.)
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Il metodo osservazionale
Conseguentemente negli elaborati di progetto vengono definite:
• più sezioni d’avanzamento, ovvero delle modalità d’avanzamento, interventi di rinforzo
dell’ammasso, prerivestimenti e rivestimenti alternativi da utilizzarsi per lo
scavo/realizzazione dell’opera;
• linee guida (per l’applicazione delle sezioni tipo): criteri di applicazione delle diverse
sezioni d’avanzamento basati su alcuni parametri rappresentativi del comportamento
dell’ammasso e che consistono nell’associare ad ogni sezione tipo opportuni campi di
variabilità di tali parametri rappresentativi (convergenze e/o cedimenti del piede
centina)
• piano di monitoraggio: insieme di elaborati grafici e testuali che
 definiscono la tipologia e ubicazione degli strumenti idonei a controllare il
comportamento deformativo dell’ammasso e della struttura ed a stimare i
parametri rappresentativi
 specificano le modalità d’installazione di tali strumenti e i relativi requisiti tecnici
 definiscono la frequenza e modalità di lettura, in relazione alle diverse fasi
esecutive
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Stabilità globale e puntale
Il progetto della galleria deve affrontare la tematica della stabilità globale del fronte e
del profilo di scavo, ma anche la stabilità locale o puntuale (“a piccola scala”),
necessaria a garantire la sicurezza dei lavoratori.
È qui che a nostro parere si gioca uno degli aspetti fondamentali della norma, ovvero
il progettista deve porre attenzione ai problemi di stabilità puntuale in egual misura
ai problemi di stabilità globale, risultando peraltro i due temi strettamente connessi.
Maggior sicurezza nei confronti della stabilità globale e minori livelli di deformazione
implicano infatti minori detensionamenti e minori possibilità dell’innesco di instabilità
locali; resta inteso che altrettanto importante sarà il compito del Preposto al fronte tra
i cui scopi istituzionali vi è, tra l’altro, il controllo della geometria del fronte di scavo, il
controllo della sua stabilità, la presenza o meno di zone scadenti, di fratture o
discontinuità o di blocchi a rischio di distacco. Nell’evenienza che al fronte si
manifestino la presenza o meno di zone scadenti, di fratture o discontinuità o di blocchi
a rischio di distacco sono stati generalmente previsti, oltre alle operazioni di disgaggio,
quelli di intensificazione locale degli elementi di rinforzo al fronte (VTR o chiodi o altri
interventi similari) oppure l’utilizzo di infilaggi metallici, o l’esecuzione di drenaggi in
avanzamento.
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NUOVI CRITERI DI CALCOLO
DEI CONSOLIDAMENTI AL FRONTE
Individuazione della fascia del fronte entro cui
concentrare i VTR per ottenere il massimo rendimento
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NUOVI CRITERI DI CALCOLO
DEI CONSOLIDAMENTI AL FRONTE
forza resistente offerta dal preconsolidamento al fronte,
in funzione della lunghezza di sovrapposizione
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Il controllo delle deformazioni
Dall’esperienza acquisita si è visto che l’entità delle deformazioni e la stabilità del
fronte può essere compromessa già con la riduzione di una modesta percentuale
degli interventi di preconsolidamento al fronte (si veda la figura seguente, relativa
alle gallerie Pozzolatico e Melarancio del tratto Firenze Nord- Firenze Sud, dove ad
ogni punto nel piano w-n°VTR è stato associato il corrispondente valore di GSI; si
osserva come il passaggio da 120 a 100 VTR comporta l’insorgere di deformazioni
vistose e non accettabili).
Le nostre esperienze per gallerie di grandi dimensioni ci hanno peraltro portati ad
osservare come accanto al controllo delle convergenze diametrali si sia registrata
l’altrettanto notevolissima importanza del controllo dei cedimenti verticali,
diventando quasi generalmente il parametro condizionante per la taratura degli
interventi al fronte.
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Il controllo delle deformazioni
180
140
120
100
80
60
40
30
20
cedimento centine (cm)
10
0
n° VTR al fronte
160
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SPRITZ BETON
spritz beton ad ogni sfondo - l’applicazione dello spritz beton immediatamente dopo
ogni sfondo e del relativo spessore, spritz deputato a svolgere la funzione di evitare
perdita di umidità della superficie di scavo, e di trattenuta di materiale minuto può
essere definita solo in fase realizzativa ed è a carico dell’impresa esecutrice dei lavori.
spritz beton al fronte nel caso di sosta prolungata - con riferimento alla determinazione
dello spessore di spritz beton al fronte nel caso di sosta prolungata, ovvero nel caso in
cui debba essere in grado di resistere alla spinta di porzioni instabili della superficie
appena scavata, il Progetto Esecutivo deve contenere indicazioni in merito allo spessore
ed eventuale armatura da adottarsi, eventualmente in funzione della durata della sosta e
del comportamento dell’ammasso.
L’effettiva applicazione di tali indicazioni sarà definita invece a cura del Direttore Lavori, in caso di
appalto tradizionale, ovvero Progettista non presente in fase realizzativa; in caso di appalto integrato,
ovvero con Progettista coinvolto nella fase realizzativa, sarà invece lo stesso progettista a definire
l’effettiva applicazione delle indicazioni formulate in sede progettuale.
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SPRITZ BETON AL FRONTE NEL CASO DI SOSTA PROLUNGATA
Fronte stabile a
lungo termine
Fronte stabile a breve
termine
Fronte
instabile
(eventuali centine e
bulloni radiali)
(centine, interventi al fronte ed
eventuali al contorno)
(centine, interventi al
fronte e al contorno)
tempo (giorni)
≤10
10-20
>20
*
10
15
20
min
max
20
25
30**
25
30
30* (**)
35
35*
35* (**)
più rete elettrosaldata f=6 mm 15x15 cm
(**) gli spessori sono indicativi. Il dimensionamento deve essere tarato sulla singola situazione
accompagnando lo spritz con idonei interventi integrativi, quali ad esempio consolidamenti
aggiuntivi, lunghezze minime dei consolidamenti residui e prescrizioni più limitative sulle distanze
di getto degli archi rovesci e calotte.
Caratteristiche dello spritz fibrorinforzato:
Quantità fibre ≥ 30 kg/mc
Calcestruzzo di resistenza media a compressione a 24 hr ≥ 10 MPa
Verifica della resistenza a 3h ed a 8hr con penetrometro digitale ad ago da eseguirsi a campione con
almeno 2 misure su ogni fronte.
Fibre per armatura diffusa, in filo di acciaio trafilato a freddo, a basso tenore di carbonio avente
resistenza a trazione ≥ 1200 MPa e rapporto L/D≥60. D=0,5 mm ad aderenza migliorata.
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MONITORAGGI E RILIEVI IN CORSO D’OPERA
In considerazione della variabilità dell’ammasso, al fine di:
• Verificare la rispondenza alle ipotesi progettuali;
• Definire l’effettiva sezione di avanzamento tra quelle previste in progetto;
• Definire la quantità di interventi di presostegno, sostegno di prima fase e
consolidamento da utilizzare all’interno del range di variabilità previsto in progetto;
• Fornire informazioni a supporto della scelta degli spessori ed eventuale armatura del
pre-spritz al fronte ed al contorno
si è fatto ricorso sistematicamente a metodi di monitoraggio in corso d’opera ed indagini
in avanzamento.
Per l’ottimizzazione del monitoraggio sono necessari:
• Progetto del sistema di monitoraggio
• Personale dedicato per l’acquisizione
• Personale dedicato per l’elaborazione e ……
COSTANZA , ATTENZIONE, ANASLISI CRITICA DEI DATI
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MONITORAGGI E RILIEVI IN CORSO D’OPERA
Indagini in avanzamento:
Dac-test: perforazioni in avanzamento con registrazione dei parametri di perforazione (n. 4 in
continuo, lunghezza 18 m);
indagine geofisica in avanzamento (cross-holes tra fori in avanzamento per elevate coperture;
tomografia sismica tra fori in avanzamento e superficie per basse coperture);
carotaggi in avanzamento.
Monitoraggi e controlli sistematici:
Rilievi al fronte ad ogni campo di avanzamento;
rilievo delle convergenze del cavo ad ogni campo di avanzamento e per ogni lavorazione
principale (es. prima e dopo scavo e getto arco rovescio).
Monitoraggi saltuari:
Estrusione ottica del fronte di scavo, in occasione di fermi prolungati;
estrusimetri: in occasione di fermi prolungati o di cambi di formazione geologica; in ammassi
instabili a breve termine, anche applicazione sistematica;
estensimetri radiali;
piezometri radiali;
monitoraggio tensio-deformativo dei rivestimenti di prima fase;
monitoraggio tensio-deformativo dei rivestimenti definitivi.
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LA “CARTELLA CLINICA”
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Autori
DAC TEST
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Autori
DAC TEST
•
Consiste nella registrazione in continuo dei principali parametri di perforazione:
• spinta applicata all’utensile di perforazione [MPa];
• velocità di avanzamento [m/h];
• coppia di rotazione assorbita [MPa];
• pressione del fluido di circolazione [MPa];
•
viene applicato a perforazioni a distruzione eseguite sul fronte in avanzamento,
solitamente su 3  4 perforazioni;
•
la lunghezza della perforazione dipende dal tratto di ammasso che si vuole
indagare; in genere si adotta una lunghezza pari a quella dei consolidamenti del
fronte, in modo da riutilizzare la perforazione per questi ultimi;
•
i parametri registrati lungo la perforazione (soprattutto spinta applicata e velocità
d’avanzamento), permettono di individuare eventuali discontinuità o variazioni
marcate delle caratteristiche dell’ammasso prima di procedere con lo scavo;
•
sulla base dei risultati del dac-test, fissati valori di soglia delle velocità, è possibile
decidere se modificare la sezione di avanzamento.
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Autori
DAC TEST
Pk 985.56
Pk 973.31
Pk 959.85
Pk 947.50
Pk 933.60
 OSSERVAZIONE: la velocità d’avanzamento dei dac test aumenta a parità di spinta applicata
 DEDUZIONE: graduale peggioramento dell’ammasso
 AZIONE: modifica sezione d’avanzamento
(*)
(*)
120
90
60
(*)
Vm1=70 m/h
DIREZIONE
D’AVANZAMENTO
Vm2=110 m/h
120
90
60
(*) picchi dovuti al detensionamento
dell’ammasso al fronte
n.80 VTR al fronte (L=18 m, Sovr.=12 m) n.110 VTR al fronte (L=18 m, Sovr.=12 m)
n.38 infilaggi metallici n.53 infilaggi metallici
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intervento
R. Acerbis, G. Barbieri, T. Collotta, A. Selleri
Autori
RILIEVO GEOMECCANICO AL FRONTE DI SCAVO
• Fornisce una descrizione qualitativa e/o quantitativa dell’ammasso in
corrispondenza del fronte di scavo
• Consiste in una raccolta di informazioni riguardanti l’ammasso, ricavate
mediante il metodo osservazionale e su alcuni controlli non distruttivi
• Fotografia del fronte
• Litologia
• Spaziatura, orientazione (bussola) e tipologia delle principali
discontinuità
• Presenza d’acqua e/o di gas
• Resistenza a compressione (sclerometro – martello di Schmidt)
• Adottando dei sistemi di classificazione convenzionali (es. classificazione
di Bieniawski), permette di ottenere degli indici (es. RMR o GSI) che
individuano il grado di “bontà” complessivo dell’ammasso
• Confrontando un rilievo geomeccanico con i precedenti e possibile
ricavare un andamento delle caratteristiche dell’ammasso che aiuta nella
scelta delle sezioni d’avanzamento.
Applicazione delle NIR 41 e 43 nella progettazione di gallerie di grandi
Titolodimensioni
intervento
R. Acerbis, G. Barbieri, T. Collotta, A. Selleri
Autori
Rilievo
geologico-strutturale 3D
dei fronti di scavo ottenuto
il supporto dei metodi fotogrammetrici e di ripresa stereoscopica
collaborazione
con
Università
degli
Studi
di
Pavia
-
Dipartimento
di
Scienze
della
con
in
Terra
Applicazione delle NIR 41 e 43 nella progettazione di gallerie di grandi
Titolodimensioni
intervento
R. Acerbis, G. Barbieri, T. Collotta, A. Selleri
Autori
Rilievo
geologico-strutturale 3D
dei fronti di scavo
il supporto dei metodi fotogrammetrici e di ripresa
ottenuto con
stereoscopica
Obiettivi
Ottenimento di un nuovo strumento diagnostico basato sulla riproduzione 3D dei fronti
di scavo in corso d’opera, che consenta di ottenere informazioni in tempo reale.
Acquisizione ed archiviazione di informazioni documentali oggettive utilizzabili in
qualsiasi sede:
•
qualitative : immagini, modelli 3D, modelli stereoscopici
•
quantitative : estrazione ed analisi di modelli digitali del terreno (DTM),
ortoimmagine, analisi stereoscopica, giaciture
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intervento
R. Acerbis, G. Barbieri, T. Collotta, A. Selleri
Autori
Rilievo
geologico-strutturale
3D
dei
fronti
il
supporto
dei
metodi
fotogrammetrici
e
di
di
scavo
ottenuto
con
ripresa
stereoscopica
Blocco stereoscopico georeferenziato
Interpretazione geomeccanica delle
immagini digitali
Estrazione ortofoto e DTM
(surface-derived attributes)
Realizzazione di modelli 3D
(surface-rendered attributes)