Calcolo e analisi in due fasi della deformazione della galleria metropolitana esistente causata dall’attraversamento diagonale della nuova galleria

Perché l’incrocio delle gallerie metropolitane è importante per le città

Con la crescita delle città e l’aggiunta di nuove linee metropolitane, spesso le nuove gallerie devono farsi strada accanto o sotto a quelle più vecchie già in esercizio. Scavare una nuova galleria sotto una linea esistente molto usata comporta il rischio di deformare la galleria più vecchia, con possibili effetti sul comfort di marcia e sulla sicurezza a lungo termine. Questo studio affronta una questione pratica per pianificatori edili e ingegneri urbani: quando una nuova galleria incrocia diagonalmente una galleria curva esistente, quanto si muoverà la galleria esistente e quali scelte progettuali mantengono minima tale deformazione?

Spezzare un problema sotterraneo complesso in due passaggi

Gli autori propongono un metodo di calcolo raffinato “in due fasi” che trasforma un problema di costruzione sotterranea complesso in qualcosa che può essere analizzato in modo affidabile al calcolatore. Nella prima fase, stimano quanto il terreno intorno alla galleria esistente venga disturbato quando viene scavata sotto di essa una nuova galleria meccanizzata con talpa. A tal fine utilizzano una soluzione ben nota della meccanica dei terreni che descrive come si propagano gli sforzi nel suolo a partire da un carico interrato. Ciò consente di calcolare le spinte e trazioni aggiuntive che l’escavazione della nuova galleria impone in ogni punto lungo la galleria più vecchia, anche quando le due gallerie si incrociano con un angolo e la galleria esistente è curva anziché rettilinea.

Trattare la galleria metropolitana come una trave flessibile nel terreno

Nella seconda fase, la galleria metropolitana esistente è trattata come una lunga trave leggermente flessibile appoggiata su un letto elastico che rappresenta il terreno circostante. Questo letto non si comprime soltanto in verticale, come molti piccoli molle, ma anche scorre lateralmente per taglio, il che rende il modello più realistico pur restando sufficientemente semplice per il progetto ordinario. Le sollecitazioni aggiuntive calcolate nella prima fase sono applicate lungo questa trave per determinare quanto la galleria si fletta e quanto si sposti verticalmente. Il modello include inoltre un “fattore di riduzione degli sforzi” che tiene conto delle zone in cui il terreno attorno alla galleria è stato rinforzato mediante iniezioni di malta, una misura protettiva comune nelle costruzioni metropolitane.

Validazione del metodo su un progetto metropolitano reale

Per verificare se la teoria corrisponde alla realtà, i ricercatori hanno applicato il loro metodo a un tratto reale della metropolitana di Zhengzhou, dove una nuova linea passava diagonalmente sotto una galleria curva esistente. Hanno impiegato le proprietà locali del terreno e della galleria, eseguito i calcoli e confrontato gli spostamenti verticali previsti con misurazioni precise prese durante la costruzione. Lo spostamento massimo previsto sulla calotta della galleria è risultato leggermente maggiore dello spostamento misurato al piano della galleria, cosa attesa poiché la copertura tende in genere a deformarsi di più. Ancora più importante, la forma e l’entità della curva di deformazione calcolata corrispondevano bene ai dati di monitoraggio, dimostrando che il metodo può fornire agli ingegneri un quadro affidabile di quanto avverrà sottoterra.

Quali scelte progettuali contano di più sottoterra

Con il metodo validato, gli autori hanno esplorato come i principali parametri di progetto e costruzione influenzino lo spostamento della galleria. Hanno riscontrato che la distanza verticale tra la nuova e la vecchia galleria ha un effetto evidente: quanto più la nuova galleria passa vicina sotto quella esistente, tanto maggiore è lo spostamento verso l’alto della galleria più vecchia. L’angolo di incrocio tra le gallerie è altrettanto importante. Incroci poco profondi, quasi paralleli, provocano deformazioni maggiori distribuite su una distanza più ampia, mentre incroci più ripidi, prossimi all’angolo retto, riducono significativamente l’impatto. Al contrario, il raggio di curvatura in pianta della galleria esistente ha avuto scarso effetto sul movimento verticale, suggerendo che curvature moderate non sono una preoccupazione dominante in questo tipo di incrocio.

Il ruolo del rinforzo del terreno attorno alla galleria

Lo studio ha anche esaminato come le iniezioni di malta—l’immissione di un materiale simile al cemento attorno alla galleria—aiutino a controllare gli spostamenti. L’estensione della zona consolidata lungo la galleria esistente ha ridotto sostanzialmente il suo spostamento verticale, specialmente passando dall’assenza di consolidamento a una lunghezza moderata di terreno trattato. Oltre una certa lunghezza, però, ulteriori iniezioni apportano solo piccoli benefici aggiuntivi, indicando un punto ottimale pratico tra sicurezza e costo. Il preciso comportamento di comprimibilità del terreno consolidato, descritto da un parametro come il rapporto di Poisson, si è rivelato avere solo una minima influenza sullo spostamento della galleria nell’intervallo testato, rispetto all’effetto dell’estensione del consolidamento.

Cosa significa per le future costruzioni metropolitane

Complessivamente, il lavoro offre agli ingegneri uno strumento pratico per prevedere come una galleria metropolitana esistente risponderà quando sotto di essa passerà diagonalmente una nuova galleria meccanizzata, anche quando la galleria più vecchia è curva e il terreno è stato rinforzato. Per i non specialisti, la conclusione è chiara: mantenere un distacco ragionevole tra le gallerie, progettare gli incroci il più possibile vicini all’angolo retto e prevedere una lunghezza di consolidamento ben studiata ma non eccessiva sono i modi più efficaci per mantenere una galleria in esercizio sicura e confortevole quando si aggiungono nuove linee al di sotto di essa.

Citazione: Li, Y., Zhao, Y., Shi, G. et al. Two-stage-method-based calculation and analysis of the deformation of the existing subway tunnel caused by the diagonal crossing of the new tunnel. Sci Rep 16, 11460 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40967-9

Parole chiave: gallerie metropolitane, scavo con talpa meccanica, deformazione dei tunnel, rinforzo del terreno, costruzione sotterranea