Superamento delle zone di faglia
a Bodio nel Tunnel di Base del Gottardo
Il Lotto 452/554 tra Bodio e Faido, a sud del tunnel di base del Gottardo,
è realizzato dal Consorzio TAT, composto da Implenia, Alpine Mayreder
Bau, CSC, Impregilo e Hochtief. Il lotto unico chiamato lotto 452/554 è
derivante dalla combinazione dei lotti 554 (tunnel Bodio) e 452 (tunnel Faido).
Tutta la tratta di Bodio (tunnel est ed ovest e cunicoli trasversali) fanno
parte del lotto 554. Collegarsi a www.tat-ti.ch,
www.implenia.com, www.alpine.at,
www.csc-sa.ch, www.impregilo.it
e a www.hochtief.com
Il consorzio di ingegneri progettisti della Galleria di Base del San Gottardo
Sud, che si occupa anche della direzione lavori è composto da Lombardi,
Amberg Engineering e Poyry Infra. Collegarsi a www.lombardi.ch,
www.amberg.ch e a www.poyry.com
oppure a www.infra-environment.poyry.com
La canna est è lunga 15.971 m e la ovest 15.702 m. Il diametro esterno
senza sovrascavo è di 8,80 m, il diametro interno è di 7,90
m. Nelle zone di faglia sono stati messi in opera: le centine metalliche TH29,
fornite da Bochumer Eisenhütte, interdistanziate di 1 m; le reti elettrosaldate
K283 di Frigerio e 15-20 cm di calcestruzzo proiettato senza fibre di Holcim
e Sika. Collegarsi a www.be-heico.de,
www.frigeriospa.com,
www.holcim.com e a www.ch.sika.com
Lo scavo del Lotto 452/554 è terminato. La TBM S-210 della Herrenknecht
ha abbattuto l'ultimo diaframma della canna est ad inizio Settembre 2006.
L'ultimo diaframma della canna ovest è stato abbattuto dalla TBM gemella
S-211 a fine Ottobre 2006. Cliccare qui
e qui. Ad oggi, i lavori
per il rivestimento definitivo sono all'85% nella canna ovest e al 75% nella
canna est. Cliccare ch/20
e ch/21.
Collegarsi a www.herrenknecht.com
Nella tratta tra Bodio e Faido, in base alle informazioni geologiche, erano
previste solo alcune brevi zone di faglia perpendicolari all'asse del tunnel
e non estese zone instabili, soprattutto di roccia spingente con una copertura
di 1.000 m. Nel progetto, utilizzato come base per i documenti della gara
d'appalto, non era stata quindi considerata la pericolosità di queste
per il sostegno definitivo dell'infrastruttura. Cliccare qui.
Sondaggi e procedure predisposte
Nonostante queste previsioni favorevoli e per fare fronte a eventuali sorprese,
la pianificazione dei lavori prevedeva la realizzazione di perforazioni di
sondaggio a partire dal fronte di scavo nel settore di Bodio. La tipologia
di sondaggio è stata adattata in corso d'opera, in base alle conoscenze
e alle esperienze acquisite. Inizialmente si pensava di utilizzare il metodo
del sondaggio sismico, abbandonato dopo soli circa 1.000 m di scavo, non essendo
stato in grado di individuare in anticipo la prima importante zona di faglie
sub-orizzontali della canna est. Si è quindi scelto di effettuare perforazioni
distruttive radiali e longitudinali, completate se necessario da carotaggi.
Preventivamente, oltre a queste perforazioni di sondaggio e ai piani d'intervento
in caso di eventi straordinari, era stato elaborato un piano per l'attraversamento
di massicci difficili. Che si trattasse di zone instabili, previste o meno,
una procedura descriveva passo dopo passo gli interventi stabiliti, non solo
per l'avanzamento delle TBM, ma anche per le gallerie trasversali scavate
con l'esplosivo.
Faglia p.k. 2705
Dopo avere percorso circa 200 m, la TBM della canna est si è trovata
di fronte ad una faglia sub-orizzontale instabile completamente inattesa.
Spessa alcuni metri e composta prevalentemente da kakiriti, cataclasiti e
rocce altamente fratturate, segue l'asse del tunnel sud per circa 400 m, soprattutto
nella parte della calotta. Questa faglia è stata individuata anche
nella canna ovest, per circa 100 m ed ha intralciato lo scavo di due gallerie
trasversali.
La principale situazione di rischio, attraversando una faglia di questo tipo,
riguarda il distacco di materiali incoerenti, sopra o appena dietro la testa
fresante. Questa caduta di materiali ha causato la formazione di numerose
cavità nella calotta che, in casi estremi, si sono estese su tutta
la sezione del tunnel raggiungendo anche a 6 m d'altezza.
In tutta la zona del fronte di scavo è stato realizzato immediatamente
il sostegno, utilizzando centine d'acciaio TH29 interdistanziate di 1 m, abbinate
a reti elettrosaldate e ad un rivestimento in calcestruzzo proiettato di circa
15 cm. Le cavità sono state quindi riempite, in genere con calcestruzzo
proiettato e talvolta con calcestruzzo gettato in opera.
Il progetto prevedeva la possibilità di allargare al massimo di 30
cm il diametro di perforazione corrente (8,80 m) per attraversare le eventuali
faglie locali e per avere quindi a disposizione un maggior spazio per fronteggiare
importanti convergenze o per realizzare un sostegno e un rivestimento definitivo
più resistente. Il diametro massimo di perforazione realizzato è
stato di soli 8,89 m, poiché il suo ulteriore allargamento ' avrebbe
comportato un proporzionale ingrandimento degli utensili periferici. Di conseguenza,
il progetto ha dunque dovuto essere adattato rapidamente.
Allo scopo d'evitare conflitti con il futuro sistema di drenaggio, sono state
progettate e costruite speciali centine d'acciaio TH29, con pareti di altezza
ridotta. Inoltre, i 30 cm previsti dal progetto della gara di appalto per
l'anello interno in calcestruzzo gettato in opera nelle zone di faglia sono
stati portati a 25 cm, come per il profilo. Per ragioni statiche, le volte
del tunnel e dei bypass' nella zona instabile sono state interamente armate,
dimensionando l'armatura in base al momento di flessione e allo sforzo normale.
Questi sforzi corrispondono all'ipotesi di carico più sfavorevole,
che tiene conto in particolare del carico di dislocazione, del peso preciso,
della variazione di temperatura e del carico dovuto al traffico. Non è
stato necessario armare la controvolta definitiva.
Concludendo, per rispondere alle nuove esigenze di protezione anti-incendio,
il rivestimento della volta in questa sezione del tunnel è stato cementato
con 2 kg/m³ di fibre di polipropilene monofilamento.
Tenuto conto delle condizioni geologiche particolarmente difficili della zona
instabile e della fase di rodaggio dei lavori, l'avanzamento delle TBM non
ha potuto superare i 2,5 m al giorno.
Faglie instabili e rocce spingenti
Le due TBM partite da Bodio hanno incrociato una nuova zona di faglia a partire
dalla p.k. 13460. Questa seconda zona ha generato la formazione di cavità
nella calotta e nei rivestimenti della canna est (circa alle p.k. 13450 e
14340), quindi nella canna ovest (circa alle p.k. 13745 e 14425). Si tratta
di due faglie sub-verticali quasi parallele che tagliano la canna est e continuano
in direzione della canna ovest con un angolo di 5-10° rispetto all'asse
del tunnel, e che proseguono verso est con un angolo di quasi 60°. Le
faglie, si presentano come una placca spessa 3-5 m, e comprendono rocce cataclastiche,
all'interno delle quali si alternano strati di kakirite. Sono delimitate da
rocce altamente fratturate nella zona di contatto.
Al passaggio nelle zone adiacenti alle faglie, le TBM hanno subito forti pressioni
esercitate dalla roccia sulla corta coda dello scudo, appena dietro la testa
fresante. A causa della convergenza del tunnel, le centine d'acciaio chiuse
TH29 posizionate nella zona di avanzamento sono scivolate, pezzi di calcestruzzo
proiettato si sono staccati e le reti si sono fortemente deformate. Questi
sono i segni della presenza di roccia spingente: lo scavo genera un sovraccarico
della massa rocciosa intorno alla cavità e quindi deformazioni plastiche,
che tendono a chiudere sempre più la cavità.
Si è riscontrato questo fenomeno soprattutto nella canna ovest, tra
le p.k. 13595 e 13692, dove la faglia sub-verticale di roccia instabile situata
tra i due tunnel si avvicina alla canna ovest. Le pressioni sulla coda dello
scudo erano tali che la TBM non riuscendo a vincere l'attrito, era stata costretta
a fermarsi il 3 Marzo 2006 vicino alla p.k. 13692. L'avanzamento è
ripreso solo dieci giorni più tardi, dopo lo scavo di una cavità
in calotta.
Nella zona di faglia, le condizioni geologiche - e quindi il metodo d'avanzamento
- variavano considerevolmente lungo i due tunnel. Su una distanza inferiore
ad 1 km, la demarcazione tra zone stabili, instabili e di roccia spingente
non era facilmente identificabile.
Le deformazioni del sostegno sono state registrate con le misure di convergenza
trasversali su punti interdistanziati di 5-15 m. Le misurazioni potevano tuttavia
iniziare solo dopo la realizzazione del sostegno e le sezioni di riferimento
hanno potuto essere stabilite solo a 7 o 8 m dietro il fronte di scavo. I
risultati mostrano da una parte che le deformazione trasversali sono fortemente
asimmetriche e diverse lungo l'asse del tunnel, e d'altra che si stabilizzano
completamente a 80-100 m dietro il fronte di scavo. Le convergenze massime
raggiungono i 10 cm, ai cui occorre aggiungere le convergenze createsi a monte
della sezione di riferimento, che si ritiene siano comprese tra 4 e 7 cm.
La controvolta ha potuto essere cementata come da progetto esecutivo, senza
conseguenze dirette sull'avanzamento della TBM. In seguito, la controvolta
non ha subito grandi deformazioni.
Senza tenere conto del fermo della TBM ovest, l'avanzamento delle TBM in questa
seconda zona di faglia è stato compreso tra i 7 e 15 m al giorno, cioè
molto superiore rispetto a quello ottenuto attraversando la faglia p.k. 2705.
Questo risultato è soprattutto il frutto dell'esperienza acquisita
dalle squadre e dei miglioramenti apportati agli impianti per la posa delle
centine metalliche.
Costruzione di modelli
Come per la faglia p.k. 2705, la sicurezza strutturale e l'idoneità
del rivestimento definitivo di questa nuova zona di faglia si basano anche
su un anello di 25 cm di cemento armato e sulla controvolta non armata. Per
ottenere un'armatura uniforme sull'intera sezione, sono stati considerati
carichi del medesimo tipo di quelli della faglia p.k. 2705, e carichi relativi
alla spinta della roccia. I carichi dovuti alla spinta della roccia sono stati
determinati con la "back analysis", utilizzando un modello 2D ad
elementi finiti che considera le deformazioni osservate e il tipo di sostegno
utilizzato (centine TH29 ogni metro, reti e calcestruzzo proiettato, spesso
14-18 cm). Il modello tiene conto dell'influenza della faglia tra le canne,
delle proprietà anisotropiche della roccia dovute alla sua scistosità
così come all'influenza reciproca delle due canne.
Quando la TBM è stata sbloccata, sono stati effettuati dei carotaggi
per definire le proprietà meccaniche delle rocce. Le prove di compressione
triassiale sono state condotte dalla Scuola del Politecnico Federale di Zurigo,
EPFZ ed hanno evidenziato l'influenza, sulla resistenza della roccia, della
direzione della scistosità rispetto a quella del carico.
Le prove e le deformazioni misurate hanno permesso di tarare il modello, utilizzando
in particolare l'analisi di sensibilità dei parametri di calcolo. Sono
state quindi individuate le curve caratteristiche del massiccio a livello
della calotta, dello strozzo e della controvolta. Queste curve permettono,
in funzione della resistenza del sostegno, di stimare le effettive pressioni
esercitate dalla roccia sul sostegno, quindi sull'intero anello interno (metodo
convergenza-delimitazione). Tenuto conto delle forti deformazioni subite dal
sostegno, Ia stima della sua effettiva resistenza risultava essere molto difficile:
sono stati stimati valori minimi e massimi di questa resistenza e in seguito
sono state fatte diverse ipotesi di carico sul rivestimento definitivo.
I calcoli hanno confermato le osservazioni sperimentali, cioè che le
pressioni dovute alla spinta effettiva della roccia sono asimmetriche, cosa
insolita nei tunnel a grande profondità dove si pensa che la pressione
sia omogenea. Quest'asimmetria dei carichi è la conseguenza della coesistenza
di due situazioni particolari: la presenza della faglia inclinata a 65°
tra le due canne avente proprietà meccaniche molto diverse da quelle
della roccia e l'anisotropia delle rocce in materia di resistenza (scistosità
orizzontale).
Lavori di riprofilatura del profilo
Le grandi deformazioni subite dal sostegno nelle zone di faglia hanno causato
sottoscavi di circa 15 cm, che hanno comportato la necessità di riprofilare
circa 300 m in ogni canna, in quanto tali deformazioni impediscono la posa
in opera del rivestimento definitivo. Se i lavori di riprofilatura non sono
rari nella costruzione di tunnel, il caso di Bodio comprende - oltre ai rischi
geologici - alcune particolarità che complicano la situazione: la controvolta
già realizzata (comprese le tubazioni per lo scarico delle acque),
sezione limitata e problemi logistici (grande distanza tra il portale e la
zona d'intervento).
Si è deciso di effettuare i lavori di riprofilatura ricorrendo ad una
nuova installazione all'interno di ogni canna, e facendola eseguire dalla
medesima squadra incaricata della posa in opera del rivestimento definitivo.
La lunghezza delle zone d'intervento è condizionata dalla geologia
locale. I lavori - demolizione del sostegno deformato, riprofilatura e nuovo
sostegno - devono garantire la sicurezza degli operai per diversi mesi, sino
all'applicazione del rivestimento definitivo. Lo spessore effettivo della
riprofilatura varia fortemente in funzione delle deformazioni, del sostegno
esistente e delle nuove misure di sostegno necessarie. A seconda delle situazioni,
si ricorre ad interventi di tipo leggero per le sezioni dove la riprofilatura
è locale e la variazione delle misure di sostegno è limitata,
di tipo pesante in presenza di rocce spingenti dove si rischiano ulteriori
deformazioni e sollevamento della controvolta. In quest'ultimo caso, occorre
realizzare il più rapidamente possibile un nuovo sostegno completo,
a forma di anello rigido. Consultare E-News
Weekly 42/2006.
Prospettive
Le esperienze di Bodio provano che studi geologici precisi ed approfonditi
non mettono al riparo da sorprese, in particolare per perforazioni a grande
profondità. Se la collaborazione tra tutti i partecipanti del progetto
e la determinazione di misure pianificate con una ripartizione chiara delle
competenze di ciascuno è condizione basilare per poter gestire eventi
inattesi, possono tuttavia essere adottate delle misure preventive, come ad
esempio:
- anche in caso di previsioni geologiche favorevoli, occorre elaborare e preparare
piani d'intervento per eventi straordinari;
- gli impianti per l'applicazione delle misure di sostegno pesanti - in particolare
per la posa in opera delle centine metalliche - devono essere inclusi fin
dall'inizio dei lavori di scavo e le squadre che lavorano al fronte devono
essere formate il prima possibile;
- le perforazioni di sondaggio devono essere adattate costantemente alle reali
condizioni geologiche incontrate. Le perforazioni di sondaggio, che possono
essere effettuate durante la manutenzione, devono essere sufficientemente
lunghe e approfondite, anche in caso di previsioni geologiche favorevoli;
- si raccomanda di prevedere un margine di spazio ragionevole nel profilo
normale per fare fronte ad importanti deformazioni del sostegno, soprattutto
nel caso di lavori di scavo con TBM da roccia dura, dove è dubbia la
funzionalità effettiva dei dispositivi per un aumento di diametro di
perforazione.
Nei progetti di questa complessità, gli imprevisti durante i lavori
si ripercuotono inevitabilmente su costi e tempistiche, la cui variazione
può comunque essere contenuta grazie all'immediata ricerca di adeguate
soluzioni tecniche e alla presa di adeguate e specifiche decisioni. Cliccare
qui per ulteriori informazioni in francese.
Consultare E-News
Weekly 5/2005, 35/2004, 29/2004 e 50/2003. Collegarsi a www.alptransit.ch
e a www.ticino-tunnel.ch
Conclusioni
Senza dubbio le soluzioni adottate per gestire le zone di faglia incontrate
tra Bodio e Faido durante lo scavo meccanizzato della parte sud del tunnel
di base del Gottardo e la preziosa esperienza accumulata saranno messe a servizio
dei prossimi grandi progetti alpini, come il tunnel di base Maurienne-Ambin
sulla linea ferroviaria Lione-Torino e il tunnel di base del Brennero. 30/07.
Grazie ad Alessandro Ferrari di Lombardi, Project manager
a Bodio per il Consorzio Galleria di Base del San Gottardo Sud