Analisi dell’influenza dello scavo di un nuovo tunnel sulla stabilità di tunnel esistenti adiacenti

Perché le città affollate hanno bisogno di gallerie più sicure

Con l’espansione delle metropolitane nelle grandi città, i nuovi tunnel devono sempre più spesso aggirare quelli già in esercizio. Scavare un nuovo tunnel troppo vicino a uno esistente può spostare, torcere o incrinare la struttura più vecchia, con conseguenze evidenti per la sicurezza e il servizio. Questo studio esamina di quanto può deformarsi una galleria operativa quando nelle vicinanze viene scavato un nuovo tunnel e propone formule semplici che gli ingegneri possono usare per evitare che i lavori compromettano la sicurezza dei passeggeri di oggi.

Come i nuovi tunnel perturbano il terreno

Le macchine TBM rimuovono il terreno e la roccia e lo sostituiscono con un rivestimento in calcestruzzo. Questo processo allenta e sposta leggermente il terreno circostante. Di conseguenza, il terreno esercita pressioni diverse su qualsiasi struttura già sepolta, come una galleria esistente. Gli autori riprendono innanzitutto il modo in cui di norma si stima il peso del terreno sopra una galleria. I metodi classici assumono un “arco” uniforme di terreno che porta i carichi attorno all’apertura, ma trascurano quanto terreno venga effettivamente perso o spostato durante lo scavo. Il gruppo raffina questa idea per trattare i loess e terreni simili comuni a Xi’an, in Cina, dove sono pianificate molte nuove linee metropolitane.

Aggiornare la stima delle pressioni del terreno

I calcoli tradizionali, che risalgono ai lavori di Karl Terzaghi negli anni Trenta, trattano l’arco di terreno sopra una galleria come completamente formato e utilizzano un fattore fisso per convertire il peso verticale in pressione laterale sul rivestimento. Ricerche successive hanno mostrato che così si perde un dettaglio importante: quando la fronte di scavo avanza, parte del terreno o delle coperture subisce cedimenti o spostamenti, indebolendo l’arco. Gli autori adottano un approccio più recente di “arco incompleto del terreno” che include esplicitamente il rapporto di perdita di terreno—quanto la superficie o la calotta si assestano durante lo scavo. Dimostrano che, per livelli realistici di perdita in loess argilloso, il metodo raffinato generalmente prevede pressioni sul tunnel più basse e più realistiche rispetto alle formule più vecchie, soprattutto quando la perdita di terreno non è trascurabile.

Esperimenti virtuali con tunnel gemelli

Per vedere come un nuovo tunnel influisca su uno già esistente nelle vicinanze, i ricercatori hanno costruito modelli numerici tridimensionali dettagliati usando i terreni tipici di Xi’an e dimensioni standard delle gallerie metropolitane. Hanno variato tre fattori: i diametri dei tunnel, la distanza reciproca e le posizioni relative—affiancati, sfalsati diagonalmente o uno direttamente sopra l’altro. In ciascun caso hanno simulato il processo di scavo anello dopo anello e monitorato come si muovevano otto punti chiave intorno alla sezione trasversale della galleria esistente. I modelli mostrano che più i tunnel sono vicini e più grande è la galleria esistente, maggiore è la deformazione. Emergere anche che le gallerie non si limitano a traslare; tendono a torcersi, con un lato che si muove più dell’altro.

Come le gallerie si spostano, si torcono e si assestano

Quando il nuovo tunnel corre più o meno in parallelo e a profondità simile, la galleria più vecchia viene spinta principalmente lateralmente verso lo scavo, con assestamenti verticali ridotti. In questo caso prevalgono gli spostamenti orizzontali, e la torsione (rotazione) della galleria esistente è più pronunciata quando la distanza libera è di circa cinque metri. All’aumentare dell’interasse fino a 20 metri, lo spostamento laterale massimo può ridursi di oltre due terzi e la torsione diventa trascurabile. Quando il nuovo tunnel è posizionato in diagonale o direttamente sotto, la situazione cambia: la galleria esistente sia si sposta che si assesta. I movimenti verticali possono raggiungere quasi due centimetri quando i tunnel sono vicini e di grandi dimensioni, diminuendo costantemente con l’aumentare della distanza. In tutte le configurazioni l’angolo di rotazione cresce con il diametro della galleria ma diminuisce con l’aumentare della distanza, seguendo curve matematiche regolari.

Formule semplici che gli ingegneri possono davvero usare

Dalle simulazioni gli autori hanno ricavato formule di previsione che collegano gli spostamenti massimi laterali e verticali di una galleria esistente a due grandezze facili da misurare: il suo raggio e la distanza dal nuovo tunnel. Le relazioni seguono per lo più tendenze logaritmiche rispetto alla distanza, il che significa che avvicinare molto i tunnel aumenta bruscamente le deformazioni, mentre aggiungere ulteriore distanza oltre circa 15–20 metri dà ritorni decrescenti. Lo studio chiarisce anche che, per tunnel affiancati, mantenere gli spostamenti orizzontali entro i limiti di normativa assicura automaticamente la sicurezza dei movimenti verticali.

Cosa significa per le future costruzioni metropolitane

Per i non specialisti, il messaggio chiave è semplice: quando si aggiunge un nuovo tunnel della metropolitana vicino a uno esistente, la galleria più vecchia si muoverà—ma in modo prevedibile se si conoscono spazio, dimensioni e condizioni del terreno. Raffinando le stime delle pressioni del terreno nei loess e fornendo formule compatte per torsione e spostamento delle gallerie, questo lavoro offre agli progettisti strumenti pratici per decidere quanto siano accettabili le vicinanze, quando è necessario un rinforzo aggiuntivo e come pianificare gli allineamenti per proteggere le gallerie su cui le città già fanno affidamento.

Citazione: Yang, M., Liu, N., Li, H. et al. Analysis of the influence of new tunnel excavation on the stability of adjacent existing tunnels. Sci Rep 16, 5510 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35181-6

Parole chiave: gallerie della metropolitana, scavo di tunnel, deformazione del terreno, interazione tra gallerie, spazio sotterraneo urbano