Simulazione di immissione di acqua e fango nella zona di frattura di faglia di una galleria ferroviaria profonda e lunga in area montana

Perché le inondazioni in galleria contano nella vita quotidiana

Le ferrovie e le autostrade moderne fanno sempre più affidamento su lunghe gallerie che attraversano montagne o passano sotto il mare. Pur accorciando i tempi di viaggio e sostenendo il commercio, questi passaggi affrontano una minaccia nascosta: immissioni improvvise di acqua mescolata a fango che possono irrompere nella galleria da rocce fratturate. Questi violenti eventi di immissione possono bloccare i lavori, danneggiare le attrezzature e perfino mettere in pericolo vite umane. Questo studio osserva la roccia attorno a una galleria ferroviaria profonda per capire come si formano tali esplosioni e come gli ingegneri possano individuare il pericolo precocemente e progettare gallerie più sicure.

Uno sguardo più attento alle crepe nascoste nelle montagne

Molte gallerie lunghe inevitabilmente attraversano zone di roccia frantumata note come faglie. Queste zone spesso immagazzinano grandi quantità di acqua sotterranea sotto pressione e materiale sciolto. Quando una galleria avanza in una simile area, le esplosioni e lo scavo disturbano sia la roccia sia l’acqua sotterranea. Se la roccia tra la galleria e la faglia si indebolisce troppo, l’acqua e il fango confinati possono affluire rapidamente nella galleria, proprio come la foratura di un tubo sotto pressione. Progetti reali in Cina e altrove hanno subito ripetute immissioni di acqua e fango che hanno fermato i lavori per mesi e persino causato abbassamenti della superficie, sottolineando la necessità di prevedere e controllare questi disastri prima che avvengano.

Costruire una galleria virtuale all’interno della roccia

Poiché esperimenti su larga scala all’interno di montagne reali sono impossibili, i ricercatori hanno creato un dettagliato modello tridimensionale al computer di una galleria ferroviaria profonda che attraversa una faglia ricca d’acqua. In questa montagna virtuale, roccia e faglia sono stati rappresentati con resistenza, rigidezza e permeabilità realistiche, includendo il peso naturale delle sovrastanti coperture rocciose e la pressione dell’acquifero. Il team ha simulato lo scavo della galleria passo dopo passo, attivando e disattivando elementi del modello per imitare l’avanzamento della fronte, permettendo al contempo l’interazione tra deformazione della roccia e flusso d’acqua sotterraneo. Hanno testato due situazioni principali: una galleria che corre sotto una faglia e una che la attraversa completamente, variando spessore, angolazione e distanza della faglia dalla galleria per vedere come la geometria influisca sul rischio.

Come si muove la roccia e come risponde l’acqua man mano che la galleria avanza

Le simulazioni hanno rivelato che, mentre la fronte della galleria avanza, la volta tende ad abbassarsi gradualmente, poi subisce un assestamento brusco quando la fronte è molto vicina a quella sezione, prima di stabilizzarsi quando la fronte si allontana. Le pareti laterali, in particolare l’anello ad arco della roccia sul lato più vicino alla faglia, mostrano un movimento laterale in aumento costante. Le tensioni nella roccia si concentrano in punti specifici: le pareti ad arco della galleria, i piedritti e gli angoli dove la faglia incontra la roccia integra. Allo stesso tempo, la pressione dell’acquifero si riorganizza attorno all’apertura. Inizialmente la pressione aumenta semplicemente con la profondità, ma lo scavo crea una zona a bassa pressione a forma di imbuto attorno alla galleria, attirando l’acqua verso di essa. Immediatamente davanti alla fronte, la pressione dei pori prima aumenta e poi cala bruscamente quando la fronte passa, segnando un rapido rilascio di acqua immagazzinata.

Il punto più pericoloso: un lato dell’arco della galleria

Tracciando velocità e direzione dell’acqua sotterranea, i ricercatori hanno potuto vedere dove si formerebbero i potenziali canali d’immissione. Mentre lo scavo si avvicinava alla faglia, piccole zone di flusso ad alta velocità nella faglia si collegavano alla regione a bassa pressione intorno alla galleria, creando un percorso continuo. Il flusso massimo e i maggiori cambiamenti di pressione e tensione si concentravano costantemente sul lato destro della volta della galleria più vicino alla faglia, piuttosto che in modo uniforme attorno all’apertura. Faglie più spesse e angoli più prossimi all’orizzontale aumentavano sia la quantità d’acqua immagazzinata sia la facilità di connessione diretta con la galleria, aumentando il rischio, mentre una maggiore distanza di “cuscinetto” di roccia tra galleria e faglia lo riduceva. Questa sovrapposizione di alte tensioni nella roccia, fratturazione e rapido flusso d’acqua indica il probabile luogo di origine di un’immissione di acqua e fango.

Trasformare intuizioni virtuali in gallerie più sicure

Sebbene il modello semplifichi rocce e acque sotterranee reali, offre un quadro chiaro per gli ingegneri: il lato della volta della galleria più vicino a una faglia contenente acqua è la zona di massimo pericolo per l’ingresso improvviso di fango e acqua. Lo studio suggerisce di concentrare lì gli strumenti per monitorare cambiamenti bruschi nella pressione dei pori e nelle deformazioni come segnali di allarme precoce. Mostra inoltre come forma e posizione della faglia possano servire a classificare il rischio e a pianificare rinforzi e iniezioni di consolidamento dove necessario. In termini pratici, il lavoro trasforma un processo nascosto e complesso all’interno delle montagne in un problema più prevedibile, aiutando i progettisti a realizzare gallerie lunghe e profonde che sono non solo imprese ingegneristiche importanti ma anche più sicure per chi le costruisce e le utilizza.

Citazione: Yang, S., Han, H., Chen, G. et al. Simulation of water-mud-inrush in fault fracture zone of deep and long railway tunnel in mountain area. Sci Rep 16, 13370 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41909-1

Parole chiave: infiltrazione d'acqua in galleria, zona di frattura di faglia, scavo sotterraneo, simulazione numerica, sicurezza geotecnica