Indagine numerica sull’interazione terreno-galleria sotto carichi di esplosione in superficie con correlazioni energetiche basate su regressione

Perché le gallerie nascoste sono importanti in un mondo di esplosioni in superficie

Le città moderne si affidano sempre più a gallerie sotterranee per spostare le persone e proteggere servizi vitali. Ma con l’aumento del rischio di esplosioni in superficie dovute a bombe, missili o ordigni improvvisati, gli ingegneri devono chiedersi: quanto sono sicure queste vie di comunicazione interrate quando avviene una potente detonazione sopra di esse? Questo studio utilizza avanzate simulazioni al computer per esplorare il comportamento di una galleria metropolitana interrata in un terreno molle ricco di argilla sotto esplosioni superficiali, e per determinare a quale profondità è necessario posizionarla per rimanere nella zona di sicurezza.

Autostrade sotterranee sotto il fuoco

Le gallerie urbane sono tipicamente progettate per sopportare i carichi di traffico quotidiani e, al massimo, i terremoti — non attacchi diretti. Eppure, nei conflitti moderni e negli atti terroristici, le esplosioni in superficie sono frequenti e possono trasmettere onde d’urto nel terreno verso le strutture interrate. Eseguire prove esplosive su larga scala su gallerie reali è estremamente costoso e pericoloso, quindi gli autori si affidano a modelli numerici tridimensionali dettagliati. Si concentrano su una galleria metropolitana di sezione circolare inglobata in una sabbia argillosa, un tipo di suolo comune nei progetti urbani, e indagano come un’esplosione a superficie deformi la galleria e danneggi il suo rivestimento in calcestruzzo.

Costruire una galleria e un’esplosione virtuali

Per studiare il problema, i ricercatori creano una replica digitale di una galleria in calcestruzzo armato larga cinque metri, circondata da un ampio blocco di terreno. Il suolo, il rivestimento in calcestruzzo e le barre d’acciaio ricevono ciascuno un comportamento meccanico realistico ricavato da esperimenti, in modo che il modello possa catturare fessurazioni, deformazioni permanenti e assorbimento di energia. Le esplosioni superficiali sono simulate usando un modello di carica d’esplosivo ampiamente adottato, originariamente sviluppato dall’esercito statunitense, che converte la massa di TNT in un’onda di pressione variabile sulla superficie del terreno. Prima di affidarsi al modello, gli autori ne verificano l’accuratezza confrontando gli shock di terreno e le dimensioni dei crateri previste con formule consolidate, e simulando esplosioni su lastre di calcestruzzo testate in laboratorio. In tutti i casi, le previsioni numeriche e i dati sperimentali concordano da vicino, dando fiducia nel comportamento credibile della galleria virtuale.

Seguire l’energia attraverso terreno e galleria

Il nucleo dello studio è un’analisi energetica di quanto accade quando una esplosione colpisce il terreno. All’aumentare della carica di TNT da 25 a 1000 chilogrammi, il modello traccia quanta energia dell’esplosione si manifesta come movimento rapido (energia cinetica), quanta è dissipata in deformazioni permanenti (dissipazione plastica) e quanta è immagazzinata temporaneamente come deformazione elastica (energia di deformazione) nel sistema terreno–galleria. Queste grandezze energetiche crescono tutte più che linearmente con la massa dell’esplosivo, il che significa che un aumento di dieci volte della carica produce un impatto molto più che dieci volte maggiore. Gli autori utilizzano poi la regressione — semplici adattamenti matematici — per trasformare queste tendenze in formule di facile uso che collegano la massa esplosiva alla dimensione del cratere, ai livelli energetici e alla deformazione della galleria nell’intervallo studiato.

Quanto profondo è abbastanza profondo?

Una domanda pratica centrale è come la profondità di interramento influisca sulla sicurezza della galleria. Lo studio analizza tre coperture sopra la calotta della galleria: 15, 12 e 9 metri, in numerosi scenari con cariche fino a 1000 chilogrammi di TNT. Due criteri di prestazione definiscono una galleria “sicura”: le fessurazioni nel calcestruzzo devono rimanere limitate e la deformazione radiale della galleria deve restare al di sotto dello 0,5% del diametro. I risultati mostrano un marcato effetto della profondità. Per il caso più profondo, 15 metri, la galleria rimane entro questi limiti per esplosioni fino a circa 500 chilogrammi, sebbene una carica da 1000 chilogrammi inizi a provocare danni locali significativi. A 12 metri, cariche più elevate spingono il rivestimento oltre entrambe le soglie di fessurazione e deformazione. Alla profondità più ridotta, 9 metri, esplosioni potenti causano estese fessurazioni da trazione e deformazioni molto maggiori, segnalando chiaramente questa configurazione come non sicura per eventi ad alta intensità.

Cosa significa questo per città più sicure

In termini pratici, lo studio mostra che le gallerie più profonde in terreni molli ricchi di argilla sono molto più resilienti alle esplosioni in superficie rispetto a quelle superficiali, e che esiste una “profondità di sicurezza” pratica per una data minaccia di esplosione. Nelle ipotesi del modello, una galleria metropolitana interrata a circa 15 metri sotto la superficie può sopportare esplosioni superficiali fino a circa 500 chilogrammi di TNT senza subire danni crippling, mentre le gallerie più superficiali diventano vulnerabili a livelli di carica molto inferiori. Le formule di regressione fornite dagli autori offrono agli ingegneri strumenti rapidi per stimare dimensioni dei crateri, trasferimento di energia e deformazione della galleria in condizioni simili, aiutando a orientare la progettazione preliminare e le valutazioni rapide del rischio in ambienti urbani a rischio o ad alta minaccia.

Citazione: Alsabhan, A.H., Rais, I., Ahemad Khan, J. et al. Numerical investigation of soil-tunnel interaction under surface blast loads with regression-based energy correlations. Sci Rep 16, 12665 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42024-x

Parole chiave: sicurezza gallerie sotterranee, carico da esplosione in superficie, progettazione gallerie metropolitane, interazione terreno-struttura, infrastrutture resistenti alle esplosioni