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Metodi innovativi per il consolidamento e l’impermeabilizzazione in sotterraneo
11/10/2016
Diletta Traldi
Pompeo Levanto

Durante la realizzazione di un’opera in sotterraneo le condizioni scadenti dell’ammasso incassante o un improvviso e inaspettato ingresso d’acqua potrebbero incidere sull'avanzamento dello scavo e quindi sull’aumento di costi e ritardi o, in casi estremi, rendere impossibile la realizzazione dell’opera con metodi convenzionali.
Per ovviare a tali inconvenienti sono sempre più utilizzati metodi di iniezione all’avanguardia, usando materiali modulabili nel tempo di reazione, quali resine poliuretaniche espandenti e miscele minerali.

Ad esempio, attraverso l’iniezione a bassa pressione e a bassa portata di una miscela minerale a base di silice colloidale, è stato possibile liberare la parte già scavata della galleria Gerace, parte del complesso della diga Olivo, dall’invasione di 9000 m3 di sabbia, altrimenti non iniettabili con altri materiali. Nella galleria Novilara, lungo la A14, è stata impiegata una resina poliuretanica espandente rallentata congiuntamente ad infilaggi metallici di 15m di lunghezza per il preconsolidamento e il presostegno del cavo in terreni sabbioso-limosi. Nella galleria San Quirico, lungo la S.S. n. 4 “Via Salaria”, le tradizionali tecniche di consolidamento costituite da un ombrello di infilaggi iniettati con boiacche cementizie hanno lasciato il posto a tecnologie innovative di iniezione, data la natura critica di stabilità dell’ammasso, costituito da detriti di falda, con ciottoli subdecimetrici, privi di matrice fine, con coesione nulla e indice dei vuoti mediamente elevato. Per evitare la dispersione della boiacca, la tecnica di intervento adottata ha previsto l’iniezione multi livello di una resina poliuretanica espandente attraverso barre in vtr o metalliche. Ciò ha reso il lavoro sicuro e veloce, grazie anche alla rapidità di polimerizzazione dei materiali innovativi impiegati. Tali tecniche spesso ottimizzano, anche a livello economico, il processo di realizzazione dell'opera nel suo complesso.

1. Introduzione
L’iniezione, cioè l’introduzione ad una certa pressione, di una miscela all’interno del terreno o di una struttura lapidea mira, a seconda della natura della miscela e in funzione del problema da affrontare, a impermeabilizzare i vuoti, le fessure e le porosità oppure a consolidare la matrice dell’ammasso da trattare.
Tramite l’impiego di resine poliuretaniche (mono e bicomponenti) e acriliche si riesce ad intervenire con successo nel tamponamento di venute d’acqua e stillicidi. Tramite l’utilizzo di resine organo- minerali (bicomponenti), resistenti al fuoco, si possono affrontare le configurazioni più complesse riguardanti il consolidamento e il riempimento di cavità. Infine, microcementi di puro clinker e miscele minerali a base di silice colloidale sono particolarmente indicati per il trattamento di terreni a grana fine, permettendo una permeazione profonda anche nei terreni a bassa permeabilità. Oggi, grazie alla presenza di miscele ecocompatibili, tecnologicamente avanzate, versatili e adattabili ad ogni tipo di situazione, in terreni o ammassi rocciosi, si sta affermando sempre di più una logica d’intervento che prevede l’impiego delle tecniche di iniezione. L’iniezione, quindi, costituisce un concreto aiuto alla realizzazione in sicurezza di opere in sotterraneo e apporta un notevole contributo alla riabilitazione di opere già esistenti.
Nel presente articolo verranno presentati tre casi di impermeabilizzazione e consolidamento di ammassi incassanti difficili da trattare o in presenza di condizioni proibitive.

2. Tre esempi reali di applicazione delle tecnologie di iniezione
2.1 Progettazione ed esecuzione dei lavori per il completamento Raddoppio Catania Ognina – Catania Centrale

La presente nota riguarda la procedura di iniezione adottata per l’esecuzione dei consolida- menti radiali in galleria mediante l’impiego di resine poliuretaniche. Il consolidamento prevede l’iniezione di due tipologie di ancoraggi: uno con barre da 6 m e uno da 7,50 m. Secondo lo schema geometrico raffigurato nella figura seguente:




Il sistema di iniezione è composto da barre in VTR piene di diametro pari a 32 mm, armate in testa con un cuneo per favorire l’avanzamento del sistema. L’armatura in vetroresina viene attrezzata con tubi in polietilene ad alta densità PN 16 che portano le miscele dalla bocca foro ad ogni camera di iniezione (due per le barre da 6,00 ml e 3 per quelle da 7,50 ml). Al fine di consentire l’isolamento di ogni camera, ciascuna di esse viene compartimentata mediante l’impiego di sacchi otturatori solidarizzati alle barre mediante fascette in metallo zincate. Ciascun sacco otturatore è dotato di una tubazione di mandata per il riempimento dello stesso con la resina e di un tubo di sfiato, necessario per evitare che eventuali aderenze al materiale di scavo ne possano causare lo scoppio in fase di iniezione.

 


Schema di iniezione:

 



La procedura di iniezione prevede:

I. Realizzazione di una sigillatura esterna con cunei e tessuto (cianfrinatura bocca foro);
II. Iniezione dei sacchi otturatori con resina bi-componente MEYCO MP 355 A3 MRO, a lenta reazione, in quantità pari a 4 kg per sacco o fino all’uscita della miscela iniettata attraverso i tubicini di sfiato + 1 kg secondo lo schema Sacco 1, Sacco 2, Sacco 3. Si conserva una pressione di iniezione dei sacchi inferiore a 20 bar;
III. Iniezione del comparto esterno denominato “Camera 1” con la quantità prevista in capitolato o pressione massima alla pompa pari a 30 bar circa (max 40 bar)
IV. Iniezione del comparto intermedio denominato “Camera 2” con la quantità prevista in capitolato o pressione massima alla pompa pari a 30 bar circa (max 40 bar);
V. Iniezione del comparto profondo denominato “Camera 3” con la quantità prevista in capitolato o pressione massima alla pompa pari a 30 bar circa (max 40 bar).

Le fasi IV e V possono essere invertite, per generare una maggiore penetrazione del materiale iniettato.

La procedura è tarata per un infilaggio di 7,50 ml con tratto di iniezione pari a 6,50 ml; nel caso di infilaggio pari a 6,00 ml con tratto di iniezione pari a 5,00 ml, le fasi saranno arrestate al punto IV, con l’iniezione della “Camera 2”. La tecnica di iniezione prevede brevi interruzioni per permettere ad eventuali fuoriuscite di bloccarsi, a seguito della reazione il cui inizio avviene a circa 1,50 minuti dall’avvio delle iniezioni.

L’iniezione delle resine viene eseguita mediante l’impiego di una pompa bicomponente DESOI GmbH PN-2036 T numero di serie 17533. La pompa in questione ha una pressione nominale di lavoro pari a 8 bar ed una capacità di iniezione di 20 litri/minuto. La pressione alla pompa è va- riabile e può andare da un minimo di 5 bar fino ad un massimo di 200 bar. Le pressioni di lavoro sono quelle stabilite nella procedura su esplicata secondo quanto detto ai punti I, II, III, IV e V. La pompa di iniezione viene alimentata da un compressore in Classe 3 del tipo RS10OA n. serie 12/664, con pressione massima di esercizio pari ad 11 bar e temperatura di lavoro fra -11/+100°C e Volume pari a 7 l.



Pompa DESOI GmbH PN-2036 T

Al fine di avere un fattore di schiuma idoneo, e pari a quello previsto in progetto, il componente A della resina poliuretanica bicomponente MEYCO MP 355 A3 MRO viene additivato con un con- tenuto in acqua fino al 2%, e la pistola di iniezione, collegata alla pompa, è dotata di un certo numero di static mixer che possono variare da un minimo di 2 ad un massimo di 8.
Le quantità in % di acqua e il numero di static mixer vanno calibrati in funzione della temperatura esterna, dell’umidità relativa, nonché del PH e durezza dell’acqua.
Nel corso del campo prova condotto sono state effettuate misure relativamente alla durezza dell’acqua e al PH, correlando queste al fattore di schiuma relativo a diversi quantitativi in % di acqua aggiunta al componente A. A seguito di numerose verifiche condotte e campionamenti, è stato stabilito un quantitativo di acqua pari a 350 ml con una percentuale in peso pari all’1,4 % rispetto a quello del componente A cui è stata aggiunta. Nel corso delle iniezioni il fattore di schiuma così ricavato viene monitorato, per verificare che si mantenga constante, a seguito della sua variabilità con la temperatura esterna e umidità dell’aria.


Lo schema di progressione prevede un intervento a quinconce, procedendo dal basso verso l’alto. Secondo lo schema riportato in figura saranno eseguiti per primi i consolidamenti di Fase I (1-3/1-4 e 11-14/11-13), e successivamente i consolidamenti di Fase II relativi alla calotta (4- 10/5-11). Tale procedura viene condotta per porzioni di circa 10 ml di consolidamento da esegui- re, al fine di creare una sorta di barriera all’espansione in direzione dell’arco rovescio che po- trebbe avvenire lungo le fratture delle lave, e favorendo l’espansione in direzione della calotta, ove il materiale ha manifestato l’imprevisto geologico che ha reso necessario l’impiego delle resine poliuretaniche oggetto del presente documento. Nelle figure seguenti sono mostrati gli schemi di iniezione.

 

Consolidamento e impermeabilizzazione della sabbia rifluita in galleria
Durante lo scavo della galleria idraulica “Gerace”, facente parte del complesso irriguo “Diga Olivo”, si è verificato un rifluimento in galleria di 9000 m3 di sabbia fine monogranulare trascinata dall’acqua.
La formazione geologica attraversata dallo scavo è relativamente monotona essendo costituita da argilla a consistenza marnosa e argilla sabbiosa grigia e compatta, passante a siltite argillosa e argilloso-sabbiosa, consolidata e frequentemente fossilifera, sostanzialmente stabile. Tuttavia, tale formazione comprende pacchi di strati decametrici di sabbie fini monogranulari, sede di un’importante falda acquifera con carico idrico di oltre 100 m. Tali strati hanno la forma di un’ampia conca sinclinalica, per cui sono intercettati due volte dallo scavo, causa del rifluimento all’interno della galleria. Contestualmente al rifluimento di sabbia, i piezometri in zona segnalavano l’abbassamento della falda sino alla quota della galleria e al di sopra del cumulo sabbioso residuava lo scorrimento di acqua che presumibilmente proveniva dal fronte (Figura 1).

 

Figura 1. Scorrimento di acqua al di sopra del cumulo sabbioso da asportare

Il principale problema è stata l’esecuzione dello sgombero della sabbia preservando adeguate norme di sicurezza contro una potenziale nuova irruzione di acqua e sabbia sotto pressione, a causa della progressiva riduzione del lungo tampone di sabbia nella galleria che via via veniva asportato con metodi convenzionali. A tal fine è stata individuata la tecnica di esecuzione di corti tamponi successivi attraverso la galleria, rinforzati, e quindi stabili, mediante adeguate iniezioni impermeabilizzanti e consolidanti tramite una miscela minerale di nanosilice colloidale (MEYCO MP 325), adatta a permeare anche in mezzi a bassa permeabilità, come la sabbia monogranulare fine in situ. A causa della instabilità della sabbia è stato utilizzato un sistema di perforazione innovativo che consente di utilizzare la tecnica autoperforante con i vtr. In particolare all’interno del vtr sono state inserite delle aste da perforazione cave tipo R25, giuntabili, collegate ad una puntazza a perdere. Questo sistema consente di inserire il vtr all’interno di un materiale incoerente senza l’ausilio del rivestimento provvisorio. Al termine della perforazione le aste venivano svincolate dalla puntazza e poi recuperate. (Figura 2).


Figura 2. Schema di iniezione tipo

Gli ultimi due metri di ogni tubo sono stati dotati di quattro valvole di iniezione, con un volume teorico di terreno da iniettare per ogni tampone pari a 15 m²x3m=45m³. L’iniezione delle valvole è stata preceduta da una blanda iniezione di guaina per impedire il reflusso lungo il foro del fluido iniettato. Inoltre, la lunghezza dei tubi di iniezione, a causa della ristrettezza di spazio che costringeva all’uso di una macchina di perforazione piccola, è stata contenuta entro 12m, per cui lo scavo avanzava per cicli di 12m a partire dall’inizio del precedente tampone per terminare contro la superficie di inizio del nuovo tampone appena realizzato. Contestualmente a tale operazione, gli stessi tubi di iniezione del tampone sono stati utilizzati per armare il terreno oltre il fronte di scavo. Non era comunque richiesto un consolidamento del fronte atto ad opporsi ad eccessive convergenze perché il profilo della galleria non convergeva, essendo già stabilizzato con sostegni in opera ormai da più anni. Ciò che era prioritario era rendere stabile il fronte contro la caduta di frammenti terrosi per la sicurezza della maestranza.

Prima di individuare nella nanosilice colloidale il materiale da iniettare sono state condotte in laboratorio delle prove di permeabilità sulla sabbia prelevata in situ e delle simulazioni dell’iniezione con tre differenti tipi di prodotti, con diverse caratteristiche, finezze e viscosità:
- cemento microfine con superfluidificante
- resina poliuretanica bicomponente a lenta reazione
- miscela minerale a base di silice colloidale MEYCO MP 325

Nel caso in esame è stata quindi innanzitutto determinata la permeabilità all’acqua della sabbia prelevata in galleria, mediante un permeametro da laboratorio a carico costante. La permeabilità di questa sabbia è risultata pari a K=2,62x10-7 m/sec, valore considerato particolarmente basso. Secondo le classiche indicazioni di iniettabilità, questo materiale, essendo granulometricamente compreso nel campo dei limi/argille, sarebbe stato unicamente permeato da sostanze granulometricamente compatibili, quali il “cemento microfine” al limite superiore, le resine acriliche (non utilizzabili per ragioni ambientali) e la silice colloidale.
La silice colloidale, che costituisce l’elemento base della miscela minerale per iniezione MEYCO MP 325, è una sospensione acquosa in cui sono disperse particelle nanometriche di silice, quindi, in virtù delle loro infinitesimali dimensioni, non risentono della gravità e di conseguenza non tendono a sedimentare. Ne risulta una superficie specifica (blaine) elevatissima, dell’ordine di 750 m2/g. Queste particelle sono costituite da SiO2, cioè da quarzo, e in particolare da una distribuzione tetraedrica degli atomi che ne conferisce l’amorficità, a differenza di altri composti cristallini a base di SiO2, i cui atomi sono ordinati a livello molecolare (silice cristallina). Inoltre, il ph risulta compreso tra 9 e 11. Inoltre, la silice colloidale presenta una bassissima viscosità (5-10 mPa•s) paragonabile a quella dell’acqua che è pari a 1 mPa•s. Ciò consente alla silice colloidale di permeare in terreni con basso valore di permeabilità, laddove le usuali tecnologie non consentono risultati soddisfacenti.
Con l’aggiunta di un attivatore, composto da NaCl disciolto in acqua al 10%, è possibile regolare in modo ottimale il tempo di gelificazione, come indicato in Figura 3. Tuttavia, il sistema MEYCO MP 325 può considerarsi un sistema monocomponente, in quanto, pur costituito da silice colloidale e attivatore, viene comunemente iniettato con normali pompe monocomponenti.


Figura 3. Tempo di gelificazione in funzione della percentuale di accelerante (T=20°C)

Il meccanismo d’azione della miscela a base di nanosilice colloidale che si verifica quando questa viene attivata è un processo prettamente fisico e non chimico, vista la natura minerale della miscela.
La superficie della silice è idratata come SiOH e risulta caricata negativamente dal processo di produzione. Di conseguenza, le forze repulsive tra le particelle impediscono la collisione delle une con le altre e il sistema è in equilibrio. Non appena viene introdotto l’attivatore all’interno del sistema in equilibrio, si verifica un’attenuazione delle forze di repulsione e l’inizio della collisione tra le singole particelle. Si ha, quindi, un aumento della viscosità della miscela e l’inizio del processo di gelificazione per cui si viene a formare un vero e proprio reticolo tridimensionale. Dopo l’avvenuta aggregazione di tutte le particelle presenti si raggiunge il completamento del reticolo e la formazione di legami Si-O-Si.
All’aumentare della viscosità, a partire dalla fase di coalescenza, si verifica un aumento delle caratteristiche meccaniche della sabbia sciolta iniettata con nanosilice colloidale. Si è visto che l’aumento della resistenza a compressione risulta lento, ma costante nel tempo, come visibile dal grafico sottostante (Figura 4).


Figura 4. Tempo di gelificazione in funzione della percentuale di accelerante (T=20°C)

Inoltre, la silice colloidale è chimicamente e biologicamente inerte, non tossica e stabile, in quanto non presenta fenomeni di sineresi, vale a dire di ritiro del gel, dovuto alla separazione tra parte solida e parte liquida, che provoca un’espulsione dell’acqua con conseguente decadimento dell’iniezione.
A seguito dei risultati di penetrabilità, in termini di tempi esecutivi e di quantità assorbite, è stato poi messo a punto lo schema di iniezione, caratterizzato da 11 o 13 tubi per ogni campo, lunghi 12m, in modo tale da creare sempre, oltre il fronte di scavo, un tampone consolidato di sicurezza (Figura 5).
Ogni tampone, inoltre, è stato ben ancorato, sempre tramite iniezioni, alle pareti della galleria anche nella zona di calotta. Pertanto, allo scopo di non interrompere il flusso dell’acqua scolante, in calotta è stato inserito un tubo d’acciaio, da 150-160 mm con lunghezza maggiore di 12m, poi recuperabile durante lo scavo, in modo tale da non dover limitare la pressione di iniezione necessaria ad effettuare il lavoro. Grazie a tutte queste accortezze è stato possibile realizzare lo sgombero dell’intera galleria dalla sabbia rifluita in completa sicurezza.

Figura 5. Fronte di sabbia sciolta consolidata

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