Analisi di resistenza di gallerie cavi con diverse profondità di interramento mediante il metodo degli elementi finiti

Come le gallerie interrate mantengono le luci accese

Le città moderne dipendono da autostrade elettriche nascoste: lunghe gallerie sotterranee colme di cavi ad alta tensione. Questi passaggi liberano spazio nelle strade affollate e proteggono infrastrutture vitali, ma costruirli in sicurezza senza spendere troppo è un equilibrio delicato. Questo studio esamina come la profondità e la forma di queste gallerie influenzino la loro resistenza e stabilità a lungo termine, aiutando gli ingegneri a decidere quando una semplice sezione a scatola è sufficiente e quando un progetto a volta più costoso giustifica il maggior investimento.

Una linea elettrica nascosta sotto la città

La ricerca si concentra su una galleria cavi lunga 15,6 chilometri progettata per ospitare linee da 110 kV e 10 kV che alimentano abitazioni e attività commerciali. Lungo il suo percorso la galleria attraversa quattro condizioni geologiche molto diverse: roccia superficiale (ZK1), suolo superficiale (ZK2), roccia profonda con falda acquifera (ZK3) e suolo profondo con falda acquifera (ZK4). Ciascuna zona ha un proprio peso, resistenza e contenuto d’acqua, tutti fattori che influenzano come il terreno circostante spinge sulla soletta della galleria. Valutare erroneamente queste forze potrebbe portare a fessurazioni, infiltrazioni o riparazioni costose; al contrario, essere troppo conservativi spreca materiali e denaro.

Due forme semplici, comportamenti molto diversi

Gli ingegneri hanno confrontato due forme di sezione trasversale per il rivestimento della galleria. Una è un semplice rettangolo—essenzialmente una cassa in calcestruzzo. L’altra è la cosiddetta volta a tre centri, che appare come una cupola arrotondata appoggiata su brevi pareti verticali. Le volte sono note per sopportare più efficacemente le compressioni—le forze di “schiacciamento” provenienti dal terreno circostante—ma sono più difficili da costruire e generalmente costano di più. La domanda chiave dello studio era: in ciascun tipo di terreno e a ogni profondità, quale forma offre sufficiente sicurezza al minor costo complessivo?

Testare la resistenza della galleria in un laboratorio virtuale

Invece di affidarsi solo a regole pratiche approssimative, gli autori hanno costruito un dettagliato modello tridimensionale al calcolatore della galleria e del terreno circostante. Hanno usato un approccio standard in ingegneria civile chiamato metodo degli elementi finiti, che suddivide la galleria e l’ambiente in molti piccoli elementi e calcola come ciascun elemento si deforma e sopporta i carichi. Il terreno è stato rappresentato usando una teoria largamente accettata sul comportamento di suolo e roccia in condizioni di crisi, permettendo al modello di stimare sia gli sforzi (quanto il materiale è compresso o teso) sia gli spostamenti (quanto si muove). Il team ha esaminato tre situazioni superficiali tipiche sopra la galleria: una zona verde senza traffico, una corsia leggera non motorizzata e una strada più pesante con quattro‑sei corsie veicolari—the il caso più gravoso.

Dove possono iniziare le crepe e come evitarle

Per ogni zona di terreno e forma della galleria, i ricercatori hanno analizzato punti chiave attorno al rivestimento, in particolare gli angoli e i “piedi” della volta dove gli sforzi tendono a concentrarsi. In tutti i casi, le sollecitazioni di compressione globali nel calcestruzzo sono rimaste ben al di sotto della resistenza ammissibile, il che significa che nessuna delle forme rischiava di essere schiacciata. La differenza cruciale riguardava la trazione—la forza di “tira” che il calcestruzzo sopporta male e che può portare a fessurazioni. In condizioni superficiali (ZK1 e ZK2) entrambe le forme sono risultate sicure, e la più semplice sezione rettangolare è risultata più economica perché più facile da realizzare. In condizioni più profonde e più umide (ZK3 e ZK4), invece, la galleria a scatola ha generato trazioni evidenti in alcune parti del rivestimento, mentre la configurazione ad arco ha trasformato quelle trazioni in compressioni più miti. Per mantenere sicura una galleria rettangolare a quelle profondità, gli ingegneri dovrebbero aumentare l’armatura d’acciaio, con conseguente aumento di costo e complessità.

Scelte progettuali che bilanciano sicurezza e costo

Combinando dati realistici del terreno con simulazioni al computer dettagliate, lo studio dimostra che non esiste una forma di galleria valida per tutte le situazioni. Per i tratti superficiali della galleria elettrica, una sezione a scatola sopporta i carichi in sicurezza con un costo inferiore. Per le sezioni profonde soggette a maggior pressione del terreno e presenza di falda, una galleria ad arco è la scelta più intelligente perché riduce naturalmente il rischio di fessurazioni nel rivestimento in calcestruzzo. Per i non specialisti, la conclusione è chiara: comprendere come la terra preme sulle strutture interrate permette agli ingegneri di adattare la forma delle gallerie alle condizioni locali, garantendo elettricità affidabile sotto i nostri piedi senza spese inutili.

Citazione: Li, C., Yan, M. Strength analysis of cable tunnels with different embedding depths by using finite element method. Sci Rep 16, 5578 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35672-6

Parole chiave: progettazione gallerie cavi, linee elettriche interrate, forma della galleria, modellazione agli elementi finiti, infrastrutture urbane