Problematiche nella comprensione dello scavo meccanizzato di gallerie in condizioni spingenti.

Questa memoria riporta in forma scritta il contenuto della 16ma “ISRM Online Lectu-re”, presentata on line, su invito della ISRM (International Society for Rock Mechanics and Rock Engineering), il 16 Dicembre 2016 (vedasi ISRM website: https://www.isrm.net/). Dopo alcuni richiami al “comportamento spingente” del terreno (inteso in senso lato) durante lo scavo di gallerie, con riferimento al passato (e.g. lo scavo dei primi trafori attraverso le Alpi, alla fine del XIX secolo) ed al presente (e.g. le più recenti gallerie di base in Europa, in fase di co-struzione/progetto), l’attenzione viene portata, in particolare nel capitolo 2, sulla definizione data dalla Commissione ISRM sulle “Rocce Spingenti”, accompagnata dalle foto delle Figure 1 e 2, che danno chiara illustrazione dello stesso fenomeno come riscontrato, ad esempio, nella Formazione del Carbonifero durante lo scavo della Galleria di Finestra di Saint Martin La Porte, a servizio della futura Galleria di Base del nuovo Moncenisio, lungo la linea ferroviaria Torino-Lione.Tale definizione del 1995 recita: “Il comportamento spingente della roccia in galleria si manifesta come deformazione dipendente dal tempo ed è associato agli effetti di “creep” causati dal superamento di un valore di soglia della tensione di taglio. La con-vergenza, la velocità di deformazione e l’estensione della fascia plastica nell’ammasso roccioso intorno al cavo (nell’intorno del perimetro di scavo ed oltre il fronte) dipendono dalle condizioni geologiche, lo stato tensionale in sito, il flusso dell’acqua e le pressioni interstiziali, nonché le caratteristiche geotecniche dell’ammasso roccioso. È comunque importante ricordare che il comportamento spingente è strettamente legato ai metodi di scavo ed alle sequenze di messa in opera degli interventi di stabilizzazione e di rivestimento adottati. In tale ottica si presenta, in più punti, un aggiornamento della definizione alla luce delle conoscenze ed esperienze nel frattempo maturate.Nel capitolo 3 si considera lo scavo con TBM in condizioni spingenti, con lo scopo di ricordare le problematiche riguardanti lo scavo meccanizzato in “condizioni spin-genti”, alla luce delle più recenti conoscenze disponibili. Vengono richiamate, in modo volutamente sintetico, le macchine di scavo (TBM) generalmente usate (aperta - Gripper TBM, a Semplice Scudo - Single Shield TBM ed a Doppio Scudo - Double Shield TBM). Si elencano gli accorgimenti tecnici cui si fa ricorso durante lo scavo meccanizzato in condizioni spingenti. Al solo scopo di illustrare le problematiche e le difficoltà di tale tipologia di lavoro in rocce spingenti, si presenta il caso di blocco della TBM (“extraordinary event of TBM entrapment”) lungo la galleria di derivazione dell’Impianto Idroelettrico Gilgel Gibe II in Etiopia (Figure 3-5).Per scelta, ci si sofferma quindi, nel capi-tolo 4, sul comportamento spingente, con riferimento alle prove in laboratorio ai fini della caratterizzazione geotecnica e di in-dividuazione delle leggi di comportamento meccanico, tenuto conto delle esigenze di analisi della galleria durante lo scavo e nel lungo termine. Dopo un richiamo alla Cella Triassiale “HPTA” (Figura 6), si presenta il modello costitutivo “SHELVIP”, che esten-de la teoria classica dell’elastoplasticità introducendo una componente deformati-va viscoplastica dipendente dal tempo. Si individuano, come illustrato nella Figura 7, tre campi tensionali: (1) elastico, all’interno della superficie viscoplastica, (2) elasto-viscoplastico, compreso fra la superficie viscoplastica e quella plastica e (3) elasto-plastico-viscoplastico, sulla superficie plastica. I risultati di prove di laboratorio su campioni di argille scagliose e meta-siltiti sono riportati nella Figura 8 (a) e (b), dove SHELVIP descrive la risposta deformativa nel tempo, nelle diverse fasi di prova.Il Capitolo 5 è dedicato ad un richiamo ai metodi di analisi e calcolo sviluppati per la simulazione dello scavo con TBM, ove l’avanzamento avvenga in condizioni spin-genti, L’attenzione è posta sul calcolo della spinta necessaria per l’avanzamento, tenuto conto che l’arresto della TBM si verifica proprio quando tale spinta disponibile si rivela insufficiente. Dopo il calcolo con metodi semi-analitici e numerici, dello spostamento radiale del cavo lungo l’asse della galleria, dietro il fronte, al fronte e davanti al fronte (il cosiddetto Profilo di Sposta-mento Longitudinale, LDP), l’attenzione è dedicata ai modelli di calcolo agli elementi finiti (FEM) ed alle differenze finite (FDM), in condizioni di simmetria assiale (Figura 9) e tridimensionale (Figura 10). Come pon-gono in luce le due figure, i metodi recentemente sviluppati e richiamati in bibliografia, sono in grado di analizzare la risposta all’avanzamento in modo completo, tenuto conto dell’interazione della macchina di scavo e delle sue componenti, nonché del rivestimento posto in opera, con il mezzo circostante.Il caso di studio, illustrato nel Capitolo 6, riguarda la galleria di derivazione dell’impianto idroelettrico di Kishanganga in In-dia. La galleria è stata scavata, per 15 km su una lunghezza di 23 km, mediante una TBM doppio scudata di diametro 6.18 m. Lo scavo è avvenuto nelle formazioni meta-sedi-mentarie di Hakfhalan, Hasthoji e Razdhan, sotto coperture sino a 1400 m (la Figura 11 mostra la Formazione di Razdhan in affioramento). Viste le condizioni spingenti e molto spingenti previste in questi ammassi rocciosi sotto le coperture più elevate, in presenza di uno stato tensionale in sito con componente orizzontale pari a 1 - 2.5 volte la tensione verticale, sono state svolte in fa-se di progetto analisi con i modelli di calco-lo prima ricordati, con i metodi FEM e FDM, in condizioni di simmetria assiale (AXIS) e tridimensionale (3D). Alcuni risultati sono illustrati, considerando l’ammasso roccioso elasto-plastico perfettamente plastico e/o visco-plastico con il modello costitutivo “SHELVIP” prima ricordato. La Figura 12 mostra gli inviluppi di resistenza della roccia intatta (secondo i criteri di Hoek-Brown e Drucker-Prager), ottenuti con prove di laboratorio eseguite su campioni di metasiltiti con sottili inter-strati di argillite, ricavati da blocchi in affioramento e da perforazioni di sondaggio (si noti che le prove triassiali sono state eseguite con la cella HPTA di Figura 6). Ricavati i parametri di deformabilità e resistenza dell’ammasso roccioso, corrispondenti ad un indice medio di qualità (GSI, Geological Strenth Index) stimato pari a 40, sono state condotte analisi numeriche con modellazione 3D FEM e AXIS FDM. Le Figure 14 e 15 mostrano la distribuzione delle deformazioni plastiche (Figura 14) e della tensione principale minima (Figura 15) ottenuta con modellazione 3D FEM. La Figura 16 illustra il profilo LDP ottenuto con la stessa modellazione 3D FEM, posto a confronto con quello della modellazione AXIS FDM. I valori di spinta massima calcolati nei due casi sono rispettivamente pari a 70 e 62 MN.La figura 17 illustra il procedimento usato per derivare i parametri caratteristici del modello costitutivo “SHELVIP” alla scala dell’ammasso roccioso, partendo dall’in-viluppo di resistenza della roccia intatta. Si mostra, ad esempio, che i risultati delle prove in laboratorio (prove di “creep”), per le diverse condizioni di prova (Figura 8 b), possono essere usate per derivare le curve di “creep” corrispondenti di Figura 18 alla scala dell’ammasso roccioso. Con la modellazione AXIS FDM in condizioni intrinseche (cioè senza tenere conto in modo esplicito dell’interazione con la TBM), si calcola il profilo LDP di Figura 19, che mo-stra l’influenza della velocità di scavo della TBM. Infine, come indicano le Figure 20 e 21, si stima la pressione di contatto tra l’ammasso roccioso e lo scudo della TBM, nonché la spinta necessaria all’avanzamento nelle diverse condizioni, per valori noti della velocità di avanzamento, in assenza (Figura 20) ed in presenza di sovra-scavo (Figura 21).