Studio sulla risposta deformativa delle strutture di sostegno per tunnel di derivazione idrica in regioni fredde in condizioni di ventilazione e convezione

Perché la forma del tunnel conta in inverno

Attraverso alte montagne e altopiani gelati, lunghi tunnel trasportano silenziosi acqua e traffico attraverso rocce che sopportano freddi intensi, neve profonda e venti potenti. In questi luoghi, l’aria che scorre nel tunnel e l’acqua di falda che lo lambisce non si limitano a cambiare la sensazione di freddo per chi viaggia: possono lentamente flettere, incrinare e indebolire la calotta di calcestruzzo del tunnel. Questo studio analizza come temperatura, umidità e ventilazione insieme deformano i tunnel di derivazione idrica in regioni fredde, e come gli ingegneri possano modulare la ventilazione e i sistemi di drenaggio per mantenere sicure queste arterie nascoste per decenni.

Come l’aria fredda e la roccia umida collaborano

I ricercatori si concentrano su tunnel di derivazione in paesaggi ad alta quota e molto freddi, dove le temperature invernali restano sotto lo zero e il terreno cicla ripetutamente tra stati congelati e scongelati. La ventilazione naturale porta l’aria esterna nel tunnel, il cui temperamento e umidità variano con le stagioni. Mano a mano che quest’aria attraversa il tunnel, scambia calore e umidità con la fodera in calcestruzzo e con la roccia circostante. Allo stesso tempo, l’acqua di falda scorre nelle fratture e nei pori della roccia, portando con sé calore e umidità. Insieme, questi processi generano schemi complessi di congelamento, disgelo, bagnamento e essiccamento che indeboliscono gradualmente i materiali e modificano le forze agenti sulla fodera.

Costruire un gemello digitale di un tunnel freddo

Poiché è quasi impossibile misurare ogni dettaglio all’interno di un tunnel interrato su lunghi periodi, il team ha realizzato un modello numerico dettagliato per imitare l’ambiente reale. Hanno combinato calcoli del flusso d’aria da una piattaforma software con un secondo modello che traccia calore, movimento dell’acqua e sollecitazioni meccaniche nella roccia e nella fodera. Per mantenere il problema gestibile ma realistico, hanno assunto che la roccia si comporti come un mezzo poroso uniforme, che l’aria nel tunnel sia un fluido ideale e incomprimibile e che l’acqua nella roccia si muova principalmente allo stato liquido. Il modello include come si trasferisce il calore, come la umidità diffonde e filtra e come la fodera risponde quando cambiano temperatura e contenuto d’acqua. Misure sul campo di temperatura dell’aria, umidità, temperatura della parete e velocità del flusso in un tunnel reale, insieme a confronti con esperimenti classici di congelamento nel suolo, sono state usate per verificare che le simulazioni riproducano il comportamento del mondo reale.

Cosa fa realmente la ventilazione a un tunnel

Con questo tunnel digitale, gli autori hanno esplorato come diverse velocità e umidità dell’aria in ingresso, livelli della falda e spaziature rispetto a un tunnel di drenaggio vicino influenzino temperature, umidità, sollecitazioni e spostamenti. Hanno scoperto che la velocità dell’aria ha un effetto a doppio taglio. Quando l’aria si muove lentamente, rimane a contatto con le pareti più a lungo, producendo un forte raffreddamento e umidificazione della fodera; quando l’aria scorre molto veloce, c’è meno tempo per lo scambio, ma il flusso più intenso può comunque indurre variazioni di sollecitazione maggiori. Oltre circa 2 metri al secondo, aumentare la velocità non modifica più in modo significativo temperatura o umidità dell’aria, eppure la sollecitazione principale nella fodera diventa più sensibile al flusso d’aria. L’umidità dell’aria all’ingresso influenza l’umidità più che la temperatura: un’umidità moderata intorno al 40 per cento ha reso la calotta della fodera la zona più reattiva e ha prodotto i maggiori spostamenti verticali, mentre aria molto secca o molto umida ha portato a comportamenti più stabili.

Ruoli nascosti della falda e della configurazione del drenaggio

L’acqua di falda si è rivelata importante quanto l’aria. Una falda alta, con la roccia quasi satura, tende a smorzare le variazioni di temperatura ma aumenta l’umidità, favorendo migrazioni d’acqua più attive. Al contrario, una falda superficiale produce picchi maggiori di sollecitazione e spostamento alla calotta del tunnel durante i cicli di gelo‑disgelo. Anche la distanza tra il tunnel principale e il tunnel di drenaggio conta. Quando i tunnel sono troppo vicini, la fodera sperimenta grandi spostamenti periodici mentre i campi di temperatura e acqua interagiscono; quando sono troppo lontani, la sollecitazione alla calotta può salire a livelli elevati e fluttuare intensamente, aumentando il rischio di fessurazione. Un’intermedia spaziatura riduce sia l’ampiezza delle deformazioni sia la concentrazione delle sollecitazioni.

L’accesso instabile verso il sottosuolo

L’ingresso del tunnel emerge come un punto particolarmente problematico. Lì, la fodera e la roccia circostante subiscono l’intera forza delle variazioni meteorologiche esterne, dei cambiamenti del flusso d’aria e dei forti gradienti di temperatura e umidità. Il modello mostra che sia le sollecitazioni sia gli spostamenti aumentano di magnitudine avvicinandosi al portale, e il modello di assestamento della calotta combinato con il rigonfiamento delle pareti laterali diventa più pronunciato. Più in profondità nel tunnel, dove l’aria è più calma e la roccia funge da cuscinetto termico, le condizioni sono molto più stabili e le sollecitazioni si distribuiscono in modo più uniforme.

Cosa significa questo per tunnel più sicuri

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che la sicurezza dei tunnel in regioni fredde non dipende soltanto dalla resistenza del calcestruzzo, ma da come sono gestiti aria e acqua. Lo studio mostra che scegliere con cura le velocità di ventilazione naturale, mantenere l’umidità in ingresso fuori dalla fascia più sensibile, collocare tunnel di drenaggio e pozzi a distanze adeguate e tener conto dei livelli stagionali della falda può ridurre significativamente deformazioni e sollecitazioni nella fodera—soprattutto vicino all’ingresso. Pur semplificando alcuni comportamenti dei materiali, il modello fornisce agli ingegneri un quadro pratico per prevedere dove e quando un tunnel di regione fredda è più probabile che si deformi e come adattare progettazione e gestione per mantenere in sicurezza questi vitali passaggi sotterranei nel lungo periodo.

Citazione: Chang, X., Qiao, J., Ren, J. et al. Study on the deformation response of support for water diversion tunnels in cold regions under ventilation and convection conditions. Sci Rep 16, 9391 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34234-6

Parole chiave: gallerie in regioni fredde, ventilazione delle gallerie, danneggiamento da gelo‑disgelo, infiltrazione di falda, deformazione dell’orditura