Studio sperimentale sul rischio di danno alle stazioni della metropolitana esistenti in presenza di escavazioni unilaterali su larga scala

Perché scavare vicino alle metropolitane può essere rischioso

Con l’espansione delle città e la costruzione di nuove linee metropolitane e centri commerciali sotterranei, i costruttori si trovano spesso a dover realizzare grosse fosse proprio accanto a stazioni già in esercizio. A prima vista queste stazioni sembrano solide fortezze sotterranee. Tuttavia, quando il terreno viene rimosso da un solo lato, l’equilibrio nascosto delle pressioni nel sottosuolo cambia. Questo studio pone una domanda pratica con grandi implicazioni di sicurezza: quanto ampia e quanto profonda può essere un’escavazione su un lato di una stazione in funzione prima che la stazione si inclini, le strade vicine si crepino o gli edifici comincino a subire danni?

Una stazione reale ispira un esperimento in laboratorio

La ricerca si basa sulla stazione Jincheng Plaza a Chengdu, Cina, un nodo sotterraneo affollato dove si incontrano tre linee della metropolitana. Una linea è già costruita, mentre le altre richiedono una massiccia nuova escavazione proprio accanto alla stazione finita, esponendo una delle sue pareti laterali. Per esplorare i rischi prima della costruzione completa, gli autori hanno realizzato un modello in scala dettagliato della stazione e del terreno di rocce tenere e terreni circostanti. Usando una scala 1:100, hanno collocato in laboratorio una scatola trasparente riempita di terreno, hanno inserito una stazione in miniatura realizzata con plastica rigida e poi hanno “scavato” un lato del terreno con passi controllati e graduali.

Osservare il piccolo spostarsi e deformarsi della stazione

Il modello è stato strumentato come un vero cantiere. Misuratori di spostamento hanno registrato come il tetto della stazione si muoveva in verticale e in orizzontale. Celle di pressione dietro la parete hanno misurato come variava la spinta del terreno, e estensimetri sulla parete hanno registrato quanto la struttura della stazione si allungava o si comprimava. Il team ha eseguito 28 scenari di scavo diversi, combinando quattro profondità e sette larghezze di escavazione unilaterale, da fosse modeste fino alla rimozione del terreno per tutta la lunghezza della stazione. Dopo ogni piccolo passo di escavazione, si è atteso il consolidamento del terreno e si sono registrate le nuove deformazioni, pressioni ed estensioni.

Cosa succede quando un lato è scavato eccessivamente

Gli esperimenti hanno rivelato che l’assestamento verticale del tetto della stazione è rimasto modesto e entro i limiti di sicurezza in tutti i casi testati; la stazione quasi non è affondata. Il pericolo reale è emerso nei movimenti laterali. All’aumentare di profondità e larghezza dell’escavazione unilaterale, la stazione ha progressivamente inclinato verso la fossa. Quando la profondità dello scavo ha superato circa i due terzi dell’altezza della stazione, l’inclinazione è diventata evidente. Per larghezze di scavo intorno a metà o pari alla larghezza della stazione, il movimento laterale ha raggiunto livelli di avvertimento; a larghezze ancora maggiori (100 metri e oltre nel progetto reale), la deformazione laterale ha superato la soglia di sicurezza basata sulle normative, implicando che non si poteva più garantire il normale esercizio dei treni.

Il terreno si allenta in superficie e viene compattato in profondità

Anche il comportamento del terreno è stato rivelatore. Con l’inclinazione della stazione, il terreno superficiale immediatamente dietro la parete escavata ha perso contatto con la struttura ed è diventato più sciolto, per cui la pressione del terreno in quella zona è scesa bruscamente — fino a circa il 98 percento nel caso più estremo. Contemporaneamente, il terreno più profondo vicino alla base della parete è stato maggiormente compresso, aumentando la pressione in una zona compatta. Questa combinazione significa che il terreno vicino alla superficie non può più sostenere in modo sicuro pavimentazioni o fondazioni di edifici, aumentando il rischio di cedimenti stradali o inclinazioni di grattacieli, anche se l’involucro in calcestruzzo della stazione mantiene ancora sufficiente resistenza e non si fessura.

Una mappa pratica di allerta per i costruttori

Poiché l’inclinazione laterale si è dimostrata l’indicatore più sensibile del problema, gli autori hanno utilizzato i loro dati per costruire un semplice grafico di zonizzazione del rischio. Esso divide le combinazioni di profondità e larghezza di scavo in quattro livelli codificati a colori: A (nessun rischio) dove la costruzione può procedere normalmente, B (rischio generale) che richiede monitoraggio più attento, C (alto rischio) dove i lavori dovrebbero essere sospesi per una valutazione di sicurezza, e D (rischio grave) dove sono necessarie misure di emergenza immediate. Applicato al progetto Jincheng Plaza, il metodo ha previsto correttamente una zona di alto rischio C per un’escavazione pianificata di 22 metri di profondità e 80 metri di larghezza; dopo l’aggiunta di supporti supplementari, lo spostamento reale della stazione è diminuito di circa due terzi. Per pianificatori urbani e ingegneri, questo studio trasforma la meccanica sotterranea complessa in uno strumento pratico e di facile utilizzo per mantenere sicure le stazioni della metropolitana e gli edifici vicini durante scavi ambiziosi.

Citazione: Zhou, F., Zhou, P., Cao, K. et al. Experimental study on the failure risk of existing metro station under unilateral large-scale excavation. Sci Rep 16, 5701 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36698-6

Parole chiave: sicurezza stazioni metropolitana, escavazione profonda, deformazione del terreno, tunnel urbano, valutazione del rischio