Analisi della risposta meccanica di gallerie che attraversano faglie inverse sotto input sismici non uniformi

Perché le vie sotterranee contano durante i terremoti

Man mano che città e Paesi costruiscono gallerie più lunghe attraverso le montagne per ospitare autostrade e linee ferroviarie, un numero crescente di questi tracciati sepolti deve attraversare faglie sismicamente attive. Quando il terreno scivola durante un sisma, la roccia attorno a una galleria può deformarsi in modo non uniforme, schiacciando o lacerando l’involucro in calcestruzzo che mantiene aperto il passaggio. Questo studio esamina il comportamento di gallerie che attraversano faglie inverse durante il loro movimento sismico e quali scelte progettuali possono rendere queste strutture più sicure per chi le usa.

Una galleria reale in montagna come banco di prova

La ricerca si basa su un progetto di rilievo nelle montagne del Tianshan in Cina: la Tianshan Shengli Tunnel, una galleria stradale gemella lunga oltre 22 chilometri che attraversa diverse faglie attive in una regione soggetta a forti scuotimenti e a elevati sforzi in situ nella roccia. Terremoti passati in Cina e Giappone hanno mostrato che le gallerie che attraversano faglie possono subire il collasso della volta, rigonfiamenti del piano di calpestio, fenditure ampie e pavimentazioni rotte quando la faglia si muove. Per comprendere e prevenire tali rotture, gli autori hanno costruito un dettagliato modello numerico tridimensionale che include la roccia integra, la zona di faglia più debole e la rivestitura in calcestruzzo, tutti disposti per rappresentare una delle faglie principali che intersecano l’asse della galleria.

Scuotere il terreno in modo non uniforme

La maggior parte degli studi precedenti ha assunto che un terremoto scuota il terreno sotto una galleria allo stesso modo ovunque. In realtà, il lato della faglia che si solleva (il sovrascudo) può sperimentare movimenti e spostamenti permanenti diversi rispetto al lato inferiore (il sottoscudo). In questo lavoro i ricercatori hanno creato una coppia di segnali sismici sintetici basati su registrazioni di un grande terremoto della California. Un segnale includeva uno spostamento permanente per imitare il trascinamento del terreno da parte della faglia, mentre l’altro non lo prevedeva. Hanno applicato il moto con spostamento permanente al sovrascudo e il moto più semplice al sottoscudo, consentendo al modello di cogliere come input differenti sui due lati della faglia si combinino con il lento ma ampio scorrimento del piano di faglia stesso.

Dove e come la galleria si danneggia

Le simulazioni mostrano che i danni si concentrano nella e attorno al nucleo di faglia — la parte più stretta e frammentata della zona di faglia — e in particolare nelle spalle curve, ossia le transizioni arrotondate tra parete e volta della galleria (haunches). All’aumentare dello scorrimento di faglia, un indicatore di danno nel rivestimento in calcestruzzo raggiunge rapidamente livelli associati a ampie fessure attraversanti e persino a schiacciamento. Queste zone ad alto danno si estendono dal nucleo di faglia nella roccia circostante e sono sistematicamente più gravi sul lato del sovrascudo, che viene maggiormente compresso e tagliato in una faglia inversa. I campi di deformazione rivelano che la sezione trasversale della galleria viene stirata e compressa lungo il perimetro, specialmente alle spalle, mentre le deformazioni assiali — lungo l’asse della galleria — rimangono relativamente modeste nelle condizioni tipiche simulate.

Ruolo della larghezza della faglia e dell’inclinazione

Il gruppo ha inoltre esplorato come lo spessore della zona di faglia e l’angolo di piano della faglia influenzino i danni. Una zona di faglia più ampia, rappresentata da un rapporto di rigidezza relativo più elevato tra la roccia di faglia e la roccia circostante, distribuisce la deformazione in modo più graduale e migliora la cooperazione tra massa rocciosa e rivestimento. Ciò riduce il danno massimo nella galleria fino a circa il 45 percento, sebbene il rivestimento all’interno del nucleo di faglia subisca comunque fessurazioni significative. La variazione dell’inclinazione della faglia mostra un effetto di soglia: con pendenze moderate (fino a circa 60 gradi) i modelli complessivi di danno cambiano poco. A pendenze maggiori, tuttavia, il danno nel nucleo di faglia diminuisce mentre aumenta il danno all’interfaccia tra faglia e sovrascudo, e le deformazioni assiali — quelle che allungano o comprimono la galleria lungo la sua lunghezza — aumentano in diverse zone chiave della sezione.

Lezioni progettuali per gallerie più sicure

Per gli ingegneri, il messaggio principale dello studio è che la quantità di scorrimento di faglia è il fattore dominante nel determinare i danni alla galleria, più della larghezza o dell’inclinazione della faglia. Le zone delle spalle emergono come le più vulnerabili e quindi gli obiettivi prioritari per il rinforzo. Gli autori suggeriscono misure come il pre-rinforzo della roccia avanti scavo mediante piccoli tubi e iniezioni profonde di malta, l’addensamento locale dello spessore del rivestimento e l’aumento dell’armatura in acciaio nelle spalle dove si concentrano gli sforzi. Sebbene il modello semplifichi alcuni dettagli costruttivi, i risultati — confrontati con danni reali osservati in una recente galleria cinese colpita dal movimento di faglia — offrono indicazioni pratiche per progettare gallerie che attraversano faglie in grado di resistere meglio ai futuri terremoti e mantenere aperte le vie di trasporto critiche quando servono di più.

Citazione: Yang, Y., Li, X., Liu, J. et al. Mechanical response analysis of tunnels crossing reverse faults under non-uniform seismic inputs. Sci Rep 16, 13348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43120-8

Parole chiave: danni alle gallerie da terremoto, scavo in faglia inversa, progettazione sismica di gallerie, infrastrutture che attraversano faglie, risposta sotterranea ai sismi