Studio sulle caratteristiche di deformazione della roccia circostante e sulle misure di ottimizzazione del sostegno per il passaggio di TBM attraverso zone di faglia fratturate

Perché i tunnel in montagna possono improvvisamente dare problemi

Oggi lunghi tunnel autostradali e ferroviari attraversano alcune delle montagne più alte e impervie del mondo. Questi passaggi sono solitamente scavati da grandi talpe meccaniche (TBM) che lavorano costantemente nella roccia compatta. Ma quando una TBM incontra una zona di faglia nascosta — roccia frantumata e indebolita da antichi terremoti — il tunnel può deformarsi, collassare o addirittura intrappolare la macchina. Questo studio analizza un incontro ad alto rischio in un tunnel montano cinese e mostra come un sistema di sostegno accuratamente progettato possa ridurre nettamente tali pericoli.

Un tratto critico in un tunnel profondo

La ricerca si concentra sul tunnel Daliangshan n. 1 nella provincia del Sichuan, che si estende per più di 10 chilometri sotto ripidi valloni a V. Gran parte del percorso attraversa rocce relativamente resistenti, ma un tratto incrocia la zona di faglia F1, dove basalti e tufi un tempo solidi sono stati frantumati in frammenti deboli e alterati. In questa zona il soffitto e le pareti rilasciano blocchi, si aprono ampie cavità, entra acqua e i normali punti di appoggio dove la TBM si arresta perdono resistenza. Durante le fasi iniziali di scavo queste condizioni hanno provocato caduta di massi, deformazione degli elementi metallici di sostegno, convergenza delle pareti del tunnel e persino un episodio in cui la TBM è rimasta bloccata dopo uno stop.

Misurare come si muove il terreno

Per capire cosa stava accadendo e come controllarlo, il team ha combinato tre approcci. In laboratorio hanno testato campioni polverizzati di carote prelevate nella zona di faglia per determinare quanto fosse effettivamente debole la roccia alterata. Al computer hanno usato il programma agli elementi finiti ABAQUS per simulare una TBM che avanza in un tunnel largo 8 metri che interseca una fascia di faglia larga 40 metri inclinata di 40 gradi. Sul campo hanno installato strumenti lungo diverse sezioni trasversali per monitorare come si muovevano la volta, le pareti e la superficie del terreno man mano che procedeva lo scavo. Questa combinazione di prove, modellazione e misurazioni in sito ha permesso di collegare ciò che si osservava sottoterra con la redistribuzione invisibile degli sforzi nelle montagne circostanti.

Cosa succede quando la macchina incontra la faglia

Le simulazioni e le rilevazioni hanno rivelato uno schema chiaro: la deformazione era «maggiore in mezzo e minore alle estremità» della zona di faglia. Quando la TBM è entrata nel nucleo più debole di F1, la volta ha subito un cedimento marcato — fino a 92 millimetri — mentre la superficie soprastante si è assestata fino a 42 millimetri. Il soffitto ha iniziato a muoversi circa 10 metri prima che la macchina raggiungesse la sezione monitorata, continuando a spostarsi fino a circa 10 metri oltre di essa. Le pareti laterali hanno risposto più tardi e in misura minore, con spostamenti massimi intorno ai 15 millimetri. Lontano dalla faglia, dove la roccia era più integra, gli incrementi di assestamento sono scesi sotto i 5 millimetri e il comportamento del tunnel è diventato molto più stabile. Senza intervento, tuttavia, gli ampi spostamenti nel nucleo di faglia minacciavano la sicurezza degli operatori e la capacità della TBM di proseguire.

Costruire un involucro più robusto intorno al tunnel

Guidati da questi risultati e dall’esperienza di altri progetti, gli ingegneri hanno progettato un sistema di sostegno rinforzato su misura per il terreno fagliato. Anziché affidarsi soltanto a costole d’acciaio e getto spruzzato di base, hanno aggiunto una fitta rete di nuove barre di rinforzo metalliche attorno alla maggior parte della circonferenza del tunnel, migliorato gli impasti dello spritz‑concrete con miscele ad alta resistenza e utilizzato casseforme e iniezioni per creare una solida seduta portante dove le scarpe della TBM esercitano pressione sulle pareti. In aree molto incoerenti o in collasso sono stati installati tiranti auto‑perforanti e ancoraggi in fibra di vetro, e cavità e vuoti carsici sono stati riempiti con calcestruzzo. I modelli numerici che incorporavano queste misure hanno previsto movimenti molto ridotti e il monitoraggio in campo ha confermato il miglioramento.

Quanto è diventato più sicuro il tunnel

Dopo il rinforzo, il massimo assestamento della volta in tutte le sezioni monitorate è sceso a circa 17 millimetri e l’assestamento superficiale a circa 7 millimetri — riduzioni di circa l’80 percento rispetto al caso non rinforzato. Pareti e piedritti si sono mossi solo di pochi millimetri e il quadro complessivo delle deformazioni è diventato più regolare e prevedibile. Lo sfaldamento della roccia e le cavità di collasso sono stati significativamente ridotti, la capacità portante per le scarpe della TBM è migliorata e la macchina ha potuto avanzare continuamente senza nuovi intrappolamenti. In termini pratici, il sostegno potenziato ha trasformato un tratto di tunnel altamente instabile in un problema ingegneristico gestibile.

Cosa significa per i tunnel futuri

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che il «terreno problematico» nelle zone di faglia non deve compromettere i progetti di tunnel in profondità. Misurando prima il comportamento della roccia, poi simulando l’interazione tra tunnel e montagna e infine adattando il rinforzo a quelle condizioni, gli ingegneri possono limitare notevolmente le deformazioni del tunnel — anche in roccia frantumata e alterata a chilometri di profondità. L’approccio usato nel tunnel Daliangshan n. 1 offre una mappa per altri tunnel montani che devono attraversare combinazioni simili di roccia alterata e faglie attive o antiche, migliorando la sicurezza e riducendo il rischio di costosi arresti della TBM.

Citazione: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

Parole chiave: talpa meccanica, zona di faglia fratturata, sostegno del tunnel, assestamento del terreno, gallerie montane