Tunnel artificiali: applicazioni e sistemi di varo

Una panoramica sulle applicazioni dei tunnel artificiali, i carichi agenti, il cantiere di varo, i sistemi di varo e il dimensionamento dei martinetti. 

Nella costruzione delle nuove arterie viarie spesso è necessario attraversare infrastrutture e strutture esistenti (ferrovie, strade, parchi, etc.).

In questi casi i tunnel artificiali svolgono un ruolo importante, consentendo di superare l'ostacolo senza interruzioni di servizio.

I tunnel artificiali costruiti fuori terra ma operativi in sotterraneo: cosa sapere

Sebbene appaiano come strutture semplici, se confrontati con i tunnel tradizionali che attraversano formazioni geologiche particolarmente complesse e in condizioni solo apparentemente note, i tunnel artificiali richiedono competenze ingegneristiche specialistiche.

Queste strutture sono costruite fuori terra, in condizioni controllate e ben prevedibili, ma la loro funzione si svolge in sotterraneo a contatto con terreno, acqua e altre sostanze aggressive, che possono facilmente degradare il calcestruzzo e le relative armature.

Un aspetto fondamentale della progettazione è dunque la durabilità (importante quanto la resistenza e la duttilità), ovvero la capacità della struttura di conservare, per tutta la durata della sua vita nominale, i livelli prestazionali per la quale è stata progettata e costruita.

I tunnel artificiali, infatti, una volta infissi nel terreno sono difficili da riparare; va pertanto operato un attento studio del mix-design del calcestruzzo, dei dettagli costruttivi, e del sistema di impermeabilizzazione, senza trascurare la programmazione e l'esecuzione di accurate ispezioni e manutenzioni. 

A differenza delle gallerie tradizionali, la coltre superiore si trova spesso a poche decine di centimetri dall'estradosso del tunnel e quindi non esercita una sollecitazione rilevante. Queste strutture, però, sono quasi sempre impegnate da azioni di notevole intensità dovute al passaggio dei mezzi, come evidenziato in Figura 1.

Figura 1 Schema tipo di attraversamento ferroviario (a) con tunnel stradale, (b) con tunnel ciclopedonale.

Pertanto, da un lato i tunnel artificiali svolgono la funzione dei ponti, essendo soggetti al carico mobile (ferroviario o stradale), e dall'altro funzionano come gallerie, impegnate dalle azioni derivanti dal terreno, [1].

Queste strutture usualmente presentano una lunghezza contenuta, calcolata in base all'ostacolo da attraversare, mentre la quota di infissione dipende dalla profondità della strada servita. In alcuni casi, i tunnel artificiali possono sostituire completamente il rilevato.

La sezione trasversale più diffusa per i tunnel artificiali è quella rettangolare cava (la più semplice da realizzare in cantiere), con dimensioni interne che dipendono dalla linea viaria servita (strada, ferrovia o ciclovia).

I possibili carichi a cui sono soggetti i tunnel artificiali

Sebbene siano strutture modeste rispetto alle gallerie tradizionali, i tunnel artificiali sono impegnati da carichi importanti, tra cui:

1. i pesi propri del terreno e dell'infrastruttura gravanti sull'estradosso del tunnel;
2. il carico mobile (ferroviario o stradale) agente sull'estradosso del tunnel;
3. le spinte del terreno, dell'acqua e del sovraccarico, agenti sui setti laterali;
4. la reazione del terreno sottostante la platea di fondazione;
5. l'azione sismica;
6. l'urto dei veicoli all'interno del tunnel, etc.

Le azioni devono essere calcolate e combinate tra loro come indicato nelle Norme vigenti [2], [3].

Staticamente il tunnel è una struttura monolitica, impegnata da carichi statici e dinamici; la verifica della sezione può essere condotta con riferimento ai telai chiusi. 

Va posta particolare attenzione anche a tutto ciò che può causare un incendio, garantendo la stabilità dell'opera e una repentina evacuazione.

Il cantiere di varo  

La costruzione del tunnel avviene in un'area prossima all'intersezione, denominata cantiere di varo.

Il cantiere di varo comprende la piattaforma di varo, il muro reggispinta e le opere di contenimento del terreno che sono parte integrante del progetto stradale o ferroviario.

La piattaforma è progettata per garantire una adeguata portanza e in alcuni casi è rigidamente collegata al muro reggispinta (funge da suola di valle).

Il muro reggispinta può essere di tipo zoppo, ovvero privo della suola di monte, oppure dotato di entrambe le suole, come rappresentato in Figura 2. In alcuni casi il muro può essere munito di contrafforti, e completato con fondazioni profonde, nel caso di terreni poco performanti [4].

Figura 2 Schema del cantiere di varo durante le prime fasi di infissione del tunnel.

In un precedente articolo degli autori, pubblicato da Ingenio [5] è stato discusso il dimensionamento del muro reggispinta e dei meccanismi di interazione terreno-tunnel durante il varo. Con riferimento a tale artico per eventuali approfondimenti, in questo paragrafo, si ricorda semplicemente che il muro reggispinta, essendo una struttura provvisoria, non necessita dei dettagli costruttivi tipici dei muri di sostegno, poiché la sua funzione principale è limitata al contenimento la spinta prodotta dai martinetti.

Tecnica di varo con semplice rostro

Costruita l'opera, e trascorsi i tempi di maturazione del calcestruzzo si procede al varo, ovvero allo spostamento dal sito di costruzione al punto di esercizio. Il movimento avviene tramite la spinta prodotta da martinetti oleodinamici disposti tra il tunnel e il muro di contrasto.

L'attività di varo si articola in due fasi principali, nella prima fase, rappresentata in Figura 3, il tunnel scorre lungo la piattaforma senza penetrare il terreno; conseguentemente, le resistenze allo scorrimento sono basse e sostanzialmente riconducibili al solo attrito fra il tunnel e la piattaforma di varo.

Per ridurre le resistenze di attrito, la piattaforma è costituita da un massetto di tipo industriale perfettamente liscio, sul quale posa un foglio in polietilene (PE) di adeguato spessore.

Figura 3 Prima fase di varo.

Nella seconda fase di varo, rappresentata in Figura 4, il tunnel attraversa il terreno fino a raggiungere la posizione di esercizio. In questa fase le resistenze allo scorrimento sono decisamente più elevate, in quanto coinvolgono meccanismi di interazione terreno-tunnel; conseguentemente, la capacità di spinta (Q) richiesta ai martinetti è più elevata.

Figura 4 Seconda fase di varo.

Il varo è l'operazione più complessa dell'intero ciclo di costruzione e messa in opera dei tunnel artificiali, in quanto, oltre a coinvolgere meccanismi di interazione terreno-struttura, usualmente questo avviene con le linee viarie attraversate in piena operatività. 

Va inoltre sottolineato che durante il varo il terreno, perturbato dalle azioni di spinta e scavo, diventa potenzialmente instabile.

Per preservare la stabilità del terreno, i tunnel artificiali, presentano un elemento fondamentale, il"rostro", che consente di confinare il volume potenzialmente instabile in una regione ben definita, studiata in base ai meccanismi di interazione terreno-struttura [5].

Nelle Figure 5 e 6 si vede chiaramente come l'inclinazione del rostro definisca la pendenza del fronte, modellato in prima approssimazione come pendio.

Figura 5 Vista interna del tunnel con fronte di scavo a pendenza vincolata dalla forma del rostro, Taranto settembre 2020.

Figura 6 Sezione longitudinale del tunnel durante il varo.

Il rostro, che costituisce il primo elemento che penetra il terreno, in generale, è realizzato in calcestruzzo armato, in continuità con i setti del tunnel, mentre in pochi casi viene prefabbricato, in acciaio, in stabilimento. Quest'ultima soluzione consente di rimuovere il rostro a fine varo per utilizzarlo in altre applicazioni (ovviamente per tunnel di dimensioni standard).

Durante il varo è fondamentale ridurre l'attrito per contenere la perturbazione del terreno e per limitare la potenza richiesta ai martinetti oleodinamici; quest'ultima condizione consente di costruire una struttura di contrasto meno robusta e quindi più economica. 

Per ridurre ulteriormente l'attrito, lungo le pareti laterali dei tunnel si possono realizzare dei fori di piccolo diametro, per consentire l'iniezione di fanghi bentonitici.

Eseguito il varo, i fori devono essere sigillati e se lasciati liberi, ad esempio per consentire un buon drenaggio delle acque di falda (per attraversamenti profondi in terreni naturali), occorre tener conto di questa condizione nel dimensionamento dell'opera e del sistema di raccolta e allontanamento delle acque, al fine di evitare l'insorgere di fenomeni di degrado. 

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