Studio sperimentale sull'influenza dell'iniezione sincrona di malta nel tunnelling con scudo su una galleria esistente superiore in strato di terreno sabbioso

Perché ciò che avviene sotto le nostre città conta

Le città moderne fanno sempre più affidamento su strati sovrapposti di gallerie sotterranee per metropolitane, servizi e strade. Quando gli ingegneri devono costruire una nuova galleria sotto una preesistente, iniettano una malta fluida intorno alla nuova struttura per evitare cedimenti del terreno. Ma in terreni sciolti e sabbiosi quella stessa malta può spingere involontariamente sulla galleria superiore, piegandola e comprimendola in modi che possono minacciare la sicurezza a lungo termine. Questo studio utilizza un modello di laboratorio accuratamente scalato per mostrare come e perché ciò avviene, e quanto malta sia troppo.

Costruire una mini città sotterranea

Per indagare questi processi nascosti, i ricercatori hanno costruito una grande cassa di terreno riempita con sabbia le cui dimensioni dei granuli e la densità imitano le condizioni reali delle metropolitane. All’interno hanno installato un modello in acciaio di una galleria circolare “esistente” e, sotto di essa, una seconda galleria che rappresenta quella scavata dalla macchina a scudo. L’intero allestimento è stato realizzato in scala uno decimo del reale, permettendo un controllo preciso pur catturando comportamenti realistici. Invece di simulare ogni fase dello scavo contemporaneamente, hanno separato le fasi: lo scavo era stato modellato in lavori precedenti, e questo studio si è concentrato esclusivamente sull’iniezione della malta che avviene dietro lo scudo man mano che vengono installati i nuovi conci.

Come viene iniettata e misurata la malta

Nei progetti reali la malta viene pompata nello stretto interstizio dietro la coda dello scudo per riempire lo spazio tra l’innesto della galleria e il terreno. Il team ha riprodotto questo con una coda di scudo personalizzata, spazzole di tenuta e tubazioni di iniezione collegate a una pompa. Hanno variato due parametri chiave: il contenuto d’acqua della sospensione di malta e la quantità di malta iniettata rispetto al volume che strettamente necessita di essere riempito, noto come rapporto di riempimento della malta. Piccoli sensori incorporati nella sabbia hanno misurato come cambiava la pressione nel terreno attorno alla galleria superiore. All’interno di quella galleria, righelli sovrapposti in acciaio, laser e telecamere hanno rilevato piccole variazioni di diametro e di curvatura, permettendo ai ricercatori di vedere esattamente come la struttura si fletteva durante l’avanzamento dell’iniezione.

Spinte e flessioni nascoste nella galleria superiore

Le misurazioni hanno rivelato che l’iniezione non agisce in modo uniforme. Man mano che la zona iniettata si spostava sotto la galleria esistente, la pressione nella sabbia aumentava bruscamente, soprattutto direttamente sotto la mezzeria della galleria. La parte inferiore della galleria superiore ha registrato l’incremento maggiore, mentre i lati sono cambiati poco e la sommità solo modestamente. Quando il rapporto di riempimento della malta era elevato, la spinta verso l’alto al fondo della galleria era circa una volta e mezza superiore rispetto a quando si usava una quantità più moderata. Questo carico non uniforme ha fatto sollevare ad arco la galleria superiore lungo il tracciato dell’iniezione, con il fondo che si alzava più della sommità. Allo stesso tempo, la sezione trasversale della galleria ha cambiato forma: il diametro verticale si è ridotto mentre quello orizzontale è aumentato, trasformando il cerchio in un leggero ovale laterale.

Quando più malta diventa un problema

Queste deformazioni sono rilevanti perché le gallerie sono progettate per distribuire le forze in modo uniforme attorno agli anelli circolari. Quando il fondo si protende e la sezione trasversale diventa ellittica, alcune parti della rivestitura sopportano sollecitazioni molto maggiori di altre. Lo studio mostra che in terreni sabbiosi l’uso di un elevato rapporto di riempimento della malta (intorno a 1,6 volte il volume di vuoto stretto) può causare spostamenti verso l’alto significativi e ovoidizzazione di una galleria sovrastante. Una volta che la malta sotto la galleria indurisce e si restringe leggermente, parte del sollevamento subisce un rimbalzo parziale, ma l’episodio di flessione aggiuntiva avrà comunque sollecitato la struttura. Col tempo, tali cambiamenti possono favorire crepe, aperture nei giunti, danni ai bulloni e infiltrazioni.

Lezioni pratiche per gallerie più sicure

Per un non specialista, il messaggio è chiaro: quando si scava una nuova galleria sotto una preesistente in terreno sabbioso, troppa malta di supporto può essere quasi altrettanto problematica quanto troppo poca. Gli esperimenti suggeriscono che mantenere il rapporto di riempimento della malta al di sotto di circa 1,6 e adeguarlo in base al monitoraggio in tempo reale aiuta a evitare sollevamenti e deformazioni eccessive della galleria esistente. Comprendendo meglio queste forze invisibili sotterranee, gli ingegneri possono perfezionare i progetti e i controlli di cantiere, proteggendo le gallerie che già trasportano milioni di passeggeri mentre si aggiungono quelle nuove che le nostre città in crescita richiedono.

Citazione: Huang, D., Lu, W., Luo, W. et al. Experimental study on the influence of synchronous grouting in shield tunneling on an upper existing tunnel in sandy soil stratum. Sci Rep 16, 7203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38155-w

Parole chiave: tunnelling con scudo, iniezione sincrona di malta, gallerie della metropolitana, terreno sabbioso, deformazione della galleria