Il rilievo geostrutturale dei fronti di scavo sotterranei con tecniche fotogrammetriche

1. INTRODUZIONE

La progettazione di una galleria scavata in un ammasso roccioso è un processo estremamente complesso che deve prevedere la determinazione delle procedure di scavo, la messa in opera dei sistemi di sostegno e/o rinforzo atti a mantenere in condizioni di stabilità le operazioni di realizzazione dell’opera, nonché la definizione delle misure di monitoraggio da prevedersi per il controllo della risposta dell’ammasso.
Le ipotesi sulle quasi si basano le assunzioni progettuali (caratterizzazione dell’ammasso roccioso, indicazione dello stato tensionale in sito, individuazione dei più appropriati modelli analitici e/o numerici - utilizzati nei processi di calcolo, ecc.) influenzano notevolmente i risultati ottenuti ed il dimensionamento delle opere di sostegno e si basano, preliminarmente, su indagini a campione condotte su affioramenti o tramite un numero limitato di sondaggi profondi.
Tali indagini devono consentire l’individuazione lungo il tracciato di domini omogenei definiti sulla base delle evidenze geologiche e geomeccaniche osservate o previste lungo il tracciato, definendone le caratteristiche peculiari sulla base di informazioni raccolte. Per ciascun dominio è necessario, quindi, definire il tipo di comportamento che regola i processi deformativi e di rottura che potrebbero manifestarsi in fase di realizzazione dell’opera. E’ in primo luogo necessario stabilire se il comportamento è regolato esplicitamente dalla presenza delle discontinuità (modello discontinuo), ovvero se l’ammasso roccioso può essere trattato come un mezzo continuo-equivalente, se lo stato tensionale e le caratteristiche meccaniche sono tali da poter prevedere fenomeni di rock burst (colpi di tensione) ovvero di swelling o di grandi deformazioni. E’ quindi necessario in questa fase definire quale modello ideale meglio descrive il comportamento del tipo di ammasso roccioso, definendone i legami costitutivi e i criteri di resistenza che meglio lo descrivono e i valori delle caratteristiche meccaniche di resistenza e deformabilità ad essi corrispondenti. Sulla base delle risultanze delle primi due fasi della progettazione è possibile definire le specifiche delle operazioni di scavo e dei sistemi di supporto necessari a mantenere entro limiti di sicurezza le operazioni costruttive. Il risultato di questa fase deriva dalla modellazione dei processi di interazione tra la massa rocciosa e gli elementi strutturali utilizzati, definendo la risposta del sistema in termini di deformazioni/spostamenti e stati tensionali attesi sia nell’ammasso roccioso al contorno dello scavo, sia negli elementi strutturali utilizzati. Questo permette di individuare i valori attesi ed i limiti di variabilità accettabili di alcune grandezze chiave (convergenza pareti, estrusione del fronte, spostamento al contorno degli scavi, stato di tensione nei sostegni, ecc). Sulla base di quanto stabilito nelle prime tre fasi progettuali è possibile suddividere l’intero progetto e ciascun RMT in regioni omogenee relativamente alle sue caratteristiche peculiari, alle caratteristiche della sezione di scavo e delle opere previste. E’ possibile, inoltre, sulla base dell’individuazione delle grandezze chiave e dei rispettivi limiti di accettabilità, definire e progettare i sistemi di monitoraggio necessari durante le fasi di costruzione dell’opera.
Nella realtà la fase di progettazione non termina, però, sino all’intera esecuzione dell’opera. Data la complessità dell’opera, il suo elevato sviluppo longitudinale e la variabilità delle condizioni geologiche e geotecniche che si possono incontrare lungo il tracciato reale, sia la normativa nazionale (D.M. 14 gennaio 2008 “Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni; D.M. 31 luglio 2012 “Approvazione delle Appendici nazionali recanti i parametri tecnici per l'applicazione degli Eurocodici”) che quella europea (Eurocodici EN1997 – Progettazione Geotecnica) prevede l’applicazione del Metodo Osservazionale.
Il metodo osservazione (approccio introdotto da Terzaghi negli anni ’40 e nell’ingegneria geotecnica già da Peck nel 1969) prevede che, per opere estremamente complesse, le inevitabili ipotesi semplificative che riguardano non solo la caratterizzazione dei materiali incontrati, ma anche la modellazione del loro comportamento meccanico e di interazione con le opere che si andranno a costruire, sono tali da non consentire una definizione certa dei comportamenti attesi. In questo ambito è necessario non solo individuare le grandezze chiave che descrivano quantitativamente la risposta attesa dell’ammasso roccioso, definirne i limiti di variabilità attesi, ma è necessario definire i sistemi di rilievo e/o monitoraggio per la misura di tali grandezze in fase di costruzione, nonché scenari progettuali alternativi nel caso in cui le misure effettuate indichino una forte discrepanza dalle ipotesi stabilite (Figura 1).

 

Figura 1 Diagrammi di flusso delle fasi di progettazione geotecnica precedenti e contemporanee alla realizzazione dell’opera (Schubert e Goricki, 2004)

Durante le fasi costruttive il reperimento e la proiezione dei dati geologici e geotecnici e la valutazione in sito sono la base per la determinazione delle condizioni dell’ammasso roccioso in un volume rappresentativo di esso. Le informazioni ottenute attraverso le indagini durante le fasi costruttive permettono di effettuare un aggiornamento del modello geotecnico e dei meccanismi di rottura e una conseguente assegnazione del reale comportamento dell’ammasso roccioso. Da qui è possibile la comparazione con il comportamento previsto dal progetto e la selezione dei metodi di scavo e dei supporti più opportuni attualizzando il sistema di comportamento in funzione delle condizioni verificatesi.
A tale proposito risulta una procedura fondamentale la caratterizzazione di tutti i fronti di scavo da eseguirsi per l’intero tracciato della galleria. In molti casi le condizioni dell’ammasso roccioso non possono essere definite con accuratezza nelle fasi precedenti alla costruzione, un continuo aggiornamento del modello geotecnico e delle classi di scavo e di supporto deve essere considerato durante le fasi di costruzione dell’opera.
Il rilievo delle discontinuità sui fronti di scavo costituisce quindi una pratica corrente nell'ingegneria delle rocce che permette la valutazione in corso d'opera della validità del progetto e, più in generale, delle condizioni di sicurezza dello stesso. Molto spesso peraltro, il fronte di scavo costituisce una zona ad alto rischio di accesso a causa del disturbo arrecato dallo scavo stesso all’ammasso roccioso e dall'inevitabile rilascio tensionale che può generare fenomeni di instabilità più o meno localizzati. La necessità di ottenere informazioni geostrutturali quantitative ed affidabili in condizioni di sicurezza hanno portato allo sviluppo della ricerca descritta nel presente lavoro dove una procedura di rilievo basata su tecniche fotogrammetriche è stata applicata per l'esecuzione del rilievo ed è stata utilizzata per la messa a punto di modelli numerici DEM per l'analisi delle condizioni di stabilità.
Nell’ottica di una progettazione agli stati limite, quale quella richiesta dalla normativa nazionale ed internazionale in vigore, occorre determinare in maniera sempre più accurata le caratteristiche geometriche delle discontinuità presenti (orientazione, spaziatura e continuità), nonché dei blocchi che esse contribuiscono a definire ed isolare (forma e dimensioni). Generalmente, il rilievo di tali caratteristiche avviene per via diretta: il geologo, munito di bussola, percorrendo la parete rocciosa, va ad individuare le informazioni ritenute caratterizzanti per l’ammasso, in un numero che ritiene sufficientemente rappresentativo.
Attualmente il rilievo di tali caratteristiche avviene per via diretta: il geologo, munito di bussola, percorrendo la parete rocciosa, va ad individuare le informazioni ritenute caratterizzanti per l’ammasso.
Tale metodologia, seppur estremamente diffusa, presenta innegabili limitazioni, in sotterrano così come a cielo aperto lungo le pareti di un pendio:
- le sezioni di scavo sono in altezza nell’ordine di alcuni metri; ciò rende impossibile la rilevazione delle discontinuità in calotta, limitandola ai solo piedritti e comunque non oltre alla possibilità fisica della persona;
- gli ammassi rocciosi molto fratturati, non supportati da opere di sostegno, possono comportare rischi per l’operatore;
- la scelta di elementi d’interpretazione significativi può essere difficile da eseguire in sito. Spesso, in fase di analisi dei risultati, l’interpretazione e l’elaborazione delle misurazioni conducono ad ambiguità che richiedono chiarimenti per mezzo di un ulteriore rilievo.
- il succedersi delle operazioni di scavo e di posa in opera dei sostegni è caratterizzato da un ritmo molto serrato necessario proprio alla messa in sicurezza delle superfici di ammasso liberate dagli scavi che possono, quindi, essere rilevate in tempi brevissimi non sempre compatibili con un rilievo esaustivo.

L’avanzamento tecnologico in termini di fotogrammetria digitale e laser scanner, ha permesso di elaborare metodi di rilievo “indiretti” o di "non contatto”, ossia metodi che non richiedono l’accesso alla parete di roccia. Mediante queste tecniche è possibile ottenere un Modello Digitale di Superficie (Digital Surface Model) della parete in oggetto e, con opportuni codici di calcolo, effettuare misurazioni sul modello digitale stesso.

Tali approcci da più di un decennio sono fruttuosamente impiegati ed applicati al rilievo geometrico di affioramenti rocciosi superficiali evidenziando risultati confrontabili ed in accordo con quelli ottenuti dai rilievi tradizionali di dettaglio ma, soprattutto permettendo la determinazione di numerosi dati di rilievo, restituendo quindi campioni statisticamente rappresentativi in grado di meglio descrivere la variabilità aleatoria delle grandezze caratterizzanti le discontinuità (orientazione, spaziatura, persistenza e volume dei blocchi). Da qui l’applicazione di tali metodologie, ormai consolidate, ai fronti di scavo di gallerie, applicazione che ha richiesto un particolare sviluppo delle operazioni di rilievo in modo da essere compatibili con i tempi di realizzazione della galleria, con le condizioni di sicurezza degli operatori, mantenendo al contempo un grado di precisione adeguato ai risultati attesi.

Il sistema proposto e descritto nel seguito si basa sulla realizzazione ed interpretazione di fotografie digitali; il metodo ha, quindi, costi molto contenuti sia dal punto di vista dell’hardware richiesto (una camera digitale con risoluzione di 5-6 Mpixel), sia dal punto di vista del personale necessario: sul posto è sufficiente, infatti, un singolo operatore, con un certo bagaglio di conoscenze tecniche sul rilievo fotogrammetrico e chiare indicazioni sulle modalità di presa delle immagini, mentre l’elaborazione è svolta via software, sia interattivamente sia automaticamente. Permette, inoltre, una ricostruzione molto fedele dell'ammasso roccioso, utile per l'applicazione dei metodi numerici che discretizzano gli ammassi rocciosi come mezzi discontinui, per la cui applicazione è indispensabile la determinazione delle caratteristiche geometriche degli scavi ma, soprattutto delle discontinuità presenti (orientazione, spaziatura, persistenza, ecc).

Nel seguito sarà quindi illustrata anche attraverso la descrizione di case histories la procedura di rilievo seguita che, partendo dal rilievo fotogrammetrico delle pareti di scavo, porta alla determinazione delle caratteristiche geometriche delle discontinuità presenti, alla determinazione delle caratteristiche generali dell’ammasso roccioso e all'applicazione di modelli numerici discontinui utili per l'interpretazione delle misure in sito eseguite durante le fasi di realizzazione delle opere.
 
ALL'INTERNO DELL'ARTICOLO SI APPROFONDISCONO:

  •  IL RILIEVO DEI FRONTI di SCAVO
    • Tecniche tradizionali
    • Applicazione della tecnica fotogrammetrica allo scavo sotterraneo
    • Introduzione a Rockscan
    • Curvatool
    • Restituzione ed analisi dei dati raccolti
  • APPLICAZIONI DEL METODO
    • Cava di Dolomia Tassullo (Trento)
    • Applicazione alla galleria Marta Giulia
    • Applicazione alla galleria Galleria di Base del Brennero
    • Applicazione alla galleria "Val Lemme" (AL)
  • CONCLUSIONI