Evoluzione dei danni sismici e caratteristiche dinamiche della roccia circostante nelle scarpate anti-dip dell’imbocco di galleria rinforzate con travi a telaio

Perché gli ingressi di galleria contano nei grandi terremoti

Quando si verifica un grande terremoto, normalmente pensiamo a edifici crollati e ponti danneggiati. Tuttavia le gallerie montane, che convogliano strade e ferrovie attraverso terreni impervi, spesso rimangono con sorprendentemente pochi danni interni. Il punto debole è l’imbocco di galleria, dove le strutture sotterranee solide incontrano scarpate rocciose scoscese. Questo studio pone una domanda pratica con grandi implicazioni per la sicurezza delle infrastrutture: come e perché il danno sismico si concentra attorno agli imbocchi di gallerie ricavati in scarpate rocciose stratificate e instabili, e cosa possono fare gli ingegneri per proteggerli meglio?

Scuotere una montagna in miniatura in laboratorio

Per indagare, i ricercatori hanno costruito un grande modello in scala dell’imbocco di una galleria reale lungo il fiume Nujiang in Cina. Il versante sopra la galleria è composto da così dette stratificazioni anti-dip—strati rocciosi inclinati che si piegano allontanandosi dalla faccia della scarpata, una geometria nota per essere soggetta a ribaltamento durante l’agitazione. Hanno rinforzato il modello con travi a telaio, ancorate con cavi e tiranti d’acciaio, simili ai sistemi usati sulle vere autostrade e linee ferroviarie. L’intero modello è stato montato su una tavola vibrante tridirezionale, dove è stato sottoposto a moti sismici realistici registrati in eventi passati come i terremoti di Kobe, El Centro e Wenchuan.

Come la scarpata e la galleria hanno risposto ai terremoti

All’aumentare dell’agitazione simulata, il team ha misurato con cura accelerazioni, deformazioni, pressioni dei terreni e spostamenti in tutta la scarpata e attorno all’intonaco della galleria. Le travi di rinforzo hanno svolto il loro compito in un senso importante: hanno impedito il collasso della scarpata in un ribaltamento catastrofico e su larga scala. Tuttavia la superficie della scarpata ha comunque subito forte sfaldamento, la cresta si è abbassata e colonne di roccia si sono inclinate verso la faccia aperta. Quanto più critico per la sicurezza dei trasporti, l’imbocco della galleria è stato gravemente colpito. Quando l’intensità delle scosse ha raggiunto circa la forza della gravità terrestre (1,0–1,2 g), si sono formate crepe alla base dell’intonaco della galleria e nelle giunzioni fra i segmenti dell’intonaco, che hanno progressivamente collegato in una fessura passante nell’invert—la soletta inferiore del concio anulare della galleria.

Dove l’agitazione è più intensa e perché l’imbocco soffre

Le misure hanno rivelato che l’agitazione non interessa ogni parte della scarpata allo stesso modo. Le accelerazioni si amplificavano man mano che le onde risalivano verso la cresta e risultavano massime vicino alla superficie, una combinazione di effetti di «elevazione» e di «superficie». Sotto l’azione verticale, l’imbocco della galleria è diventato un punto caldo dove le onde in arrivo venivano riflesse e deviate attorno all’intonaco e agli strati inclinati della roccia, creando un complesso schema di moti rinforzati. Lungo la galleria, la sezione poco profondamente coperta vicino all’ingresso vibrava molto più intensamente della parte più profonda. La differenza di movimento tra la roccia sopra e sotto la galleria aumentava significativamente vicino all’imbocco, sollecitando l’intonaco e la roccia circostante e contribuendo a spiegare perché il danno si concentrava lì anziché più all’interno della montagna.

Seguire i danni nascosti attraverso le proprietà della roccia e l’energia delle onde

Per andare oltre le osservazioni superficiali, i ricercatori hanno seguito come le proprietà meccaniche della massa rocciosa cambiassero con l’agitazione. Hanno usato relazioni consolidate tra deformazione e due parametri dinamici chiave: la rigidezza a taglio della roccia e la sua capacità di dissipare energia (smorzamento). Con l’intensificarsi delle scosse, la rigidezza della roccia è diminuita e lo smorzamento è aumentato, specialmente nella roccia subito sotto l’intonaco della galleria. Mappare questi cambiamenti ha mostrato zone di danno che si formavano inizialmente vicino alla parte inferiore dell’intonaco all’ingresso, estendendosi poi più in profondità lungo la galleria con l’aumento del moto in ingresso. Il team ha inoltre applicato uno strumento tempo–frequenza chiamato trasformata di Hilbert–Huang per studiare come l’energia del terremoto fosse distribuita tra le diverse frequenze. Hanno trovato che, sotto agitazione verticale, i componenti a bassa frequenza nella banda 9–12 Hz erano particolarmente importanti per danneggiare la roccia e l’intonaco vicino all’imbocco. Quando l’intonaco ha iniziato a incrinarsi, l’energia delle onde in questa banda si attenuava in modo evidente nella roccia sotto la galleria, offrendo un possibile modo per rilevare il danno attraverso un attento monitoraggio dei segnali sismici.

Cosa significa per gallerie più sicure

Per i non specialisti, la conclusione è netta: gli imbocchi di galleria in rocce stratificate e scoscese non sono semplicemente versioni ridotte della galleria sotterranea—sono punti deboli speciali dove il moto del versante, il focalizzarsi delle onde e i dettagli strutturali si combinano per amplificare i danni sismici. Questo studio mostra che anche quando i supporti visibili impediscono il collasso della scarpata, possono accumularsi danni nascosti nella roccia e nell’intonaco della galleria, specialmente nella volta inferiore. Gli autori concludono che gli ingegneri dovrebbero rinforzare l’arco invertito (la parte inferiore dell’intonaco) e la roccia sottostante, e prestare particolare attenzione all’agitazione verticale a bassa frequenza nella progettazione e valutazione degli imbocchi. Una migliore comprensione di dove e come l’energia si concentra durante i terremoti può guidare rinforzi e sistemi di monitoraggio più intelligenti, contribuendo a mantenere aperte le gallerie strategiche quando sono più necessarie.

Citazione: Wen, H., Yang, C., Hou, B. et al. Seismic damage evolution and dynamic characteristics of the surrounding rock in tunnel portal anti-dip slopes reinforced with frame beams. Sci Rep 16, 6480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37208-4

Parole chiave: imbocco di galleria, danno da terremoto, scarpata rocciosa, agitazione sismica, infrastrutture sotterranee