Analisi dell'influenza del sollevamento con sacchi di malta sul comportamento meccanico dei tunnel scudo

Mantenere i tunnel della metropolitana sicuri e in piano

Le città moderne dipendono dalle linee ferroviarie sotterranee, ma i tunnel che trasportano i treni possono gradualmente afflosciarsi o inclinarsi quando i lavori nelle vicinanze e i terreni molli disturbano il suolo. Questo articolo esplora un metodo promettente per sollevare delicatamente i tunnel della metropolitana affossati dal basso utilizzando sacchi flessibili riempiti di malta. Chiarendo come questi sacchi si espandono in terreni diversi e come sollecitano il tunnel, lo studio indica riparazioni più sicure e prevedibili che possono estendere la vita dei sistemi metropolitani più trafficati.

Perché i tunnel sprofondano

I tunnel a scudo, i tubi circolari costruiti con macchine da scavo, sono inseriti in terreni costantemente disturbati da nuove fondazioni, sottopassi e altre opere sotterranee. Nel tempo, parti di un tunnel possono assestarsi più di altre, producendo una piegatura lieve ma dannosa lungo la sua lunghezza e un leggero schiacciamento della sezione circolare. Queste deformazioni possono aprire le giunzioni tra i conci, provocare perdite, scheggiare i bordi in calcestruzzo e mettere a rischio il passaggio regolare e sicuro dei treni. Gli ingegneri usano già la gunitatura—iniettare una miscela fluida nel terreno—per sollevare e sostenere i tunnel, ma i metodi tradizionali iniettano la malta direttamente nel suolo, rendendo difficile prevedere dove si diffonderà la miscela e quanta forza eserciterà effettivamente sul tunnel.

Un nuovo modo di indirizzare il "martinetto" sotterraneo

Il metodo dei sacchi di malta affronta questa incertezza posizionando sacchi flessibili in fori predisposti sotto o accanto al tunnel e quindi pompando la malta all’interno. Il sacco confina la miscela, così invece di insinuarsi lungo crepe imprevedibili, si gonfia come un pallone controllato che preme sul terreno circostante. Gli autori hanno prima condotto prove su piccola scala in scatole trasparenti riempite con sabbia o argilla. Misurando come la pressione variava in molti punti durante l’iniezione, hanno dimostrato che, per lo stesso volume di malta e configurazione del sacco, i terreni più rigidi (con minore comprimibilità) sviluppavano una pressione del suolo aggiuntiva maggiore rispetto a quelli più molli. In entrambi i tipi di terreno la malta si è diffusa principalmente compatta all’interno del sacco, creando una zona di pressione limitata e ben definita invece di una pluma ampia e incerta.

Passare a un modello di tunnel realistico

Successivamente il team ha costruito un modello tridimensionale di grandi dimensioni: un anello d’acciaio che rappresenta un tunnel metropolitano, sepolto in una cassa di sabbia compattata e strumentato con decine di sensori di pressione e misuratori di spostamento. Hanno testato due strategie di riparazione. In una, un singolo sacco veniva posizionato direttamente sotto il tunnel. Nell’altra, due sacchi erano installati a 45 gradi rispetto al fondo, uno per ciascun lato. Durante la pompa della malta i sensori hanno tracciato come la pressione del terreno cresceva attorno al tunnel, come variava il diametro interno del tunnel in verticale e in orizzontale e quanto il tunnel si sollevava lungo la sua lunghezza.

Come la posizione dei sacchi modifica il comportamento del tunnel

Quando la malta è stata iniettata direttamente sotto il tunnel, la pressione del suolo al fondo è aumentata bruscamente mentre la parte superiore è cambiata solo leggermente. Il tunnel si è sollevato come previsto, ma la sua sezione circolare è stata compressa in un ovale più orizzontale: il diametro verticale si è ridotto e quello orizzontale è cresciuto di quasi la stessa entità. Questa "deformazione ellittica orizzontale" è indesiderabile perché può introdurre nuove sollecitazioni e danni. Al contrario, con i sacchi posti a 45 gradi su entrambi i lati, il tunnel ha comunque registrato un sollevamento evidente, ma la sua forma è cambiata molto poco. Le pressioni del terreno al fondo e ai lati sono aumentate in modo più equilibrato e i diametri verticale e orizzontale del tunnel sono rimasti vicini ai valori originali.

Tracciare come la pressione si trasferisce dalla pompa al tunnel

Dissecando la malta indurita dopo i test, i ricercatori hanno visualizzato come sono evolute le masse di malta. Sotto il centro del tunnel il blocco finale di malta aveva forma conica e risultava leggermente asimmetrico, in accordo con le pressioni diseguali registrate sui due lati del tunnel e con la pronunciata distorsione ovale. Con i sacchi laterali a 45 gradi, i corpi di malta erano più cilindrici e simili tra loro, e le pressioni misurate erano quasi simmetriche. Da queste osservazioni gli autori descrivono una chiara catena di trasferimento del carico: la pressione della pompa gonfia il sacco, il sacco in espansione comprime il terreno vicino e aumenta la pressione terrestre, e questa pressione aggiuntiva viene infine trasmessa alla parete del tunnel come carichi supplementari che flettono e sollevano la struttura.

Cosa significa per i tunnel del mondo reale

Per i non specialisti, il messaggio principale è che l’uso di sacchi riempiti di malta sotto i tunnel della metropolitana può rendere le riparazioni più accurate e meno rischiose rispetto alle iniezioni tradizionali a flusso libero. Lo studio dimostra che il tipo di terreno influenza fortemente quanta forza di sollevamento può fornire un dato volume di malta e che la posizione dei sacchi attorno al tunnel è cruciale. Sacchi posizionati a 45 gradi su entrambi i lati possono sollevare un tunnel assestato preservandone in gran parte la forma circolare, limitando nuove sollecitazioni e fessurazioni. Questa comprensione migliorata di come la pressione si propaga dalla pompa, attraverso il sacco e il terreno, fino al tunnel offre agli ingegneri una base scientifica più solida per progettare operazioni di sollevamento mirate e sicure sotto le nostre città.

Citazione: Liu, J., Huang, D., He, S. et al. Analysis of the influence of bottom bag grouting lifting on the mechanical response of shield tunnels. Sci Rep 16, 5867 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36427-z

Parole chiave: tunnel a scudo, malta, manutenzione metropolitana, assestamento del terreno, sollevamento del tunnel