Analisi del sollevamento degli anelli durante la costruzione di gallerie con scudo considerando gli effetti della perdita di strato

Perché il sollevamento della galleria conta per la vita cittadina

Le città moderne fanno sempre più affidamento su linee ferroviarie sotterranee per alleviare il traffico e liberare spazio in superficie. Scavare lunghi tunnel sotto gli edifici, però, non è privo di rischi. Quando una galleria viene scavata da un enorme scudo meccanico, gli anelli in calcestruzzo che rivestono la galleria possono talvolta sollevarsi, o "upliftare", più del previsto. Un sollevamento eccessivo può fessurare il rivestimento, permettere infiltrazioni d’acqua e persino disturbare il terreno e le strutture sovrastanti. Questo studio esamina da vicino come la miscela di malta iniettata e l’acqua di falda naturale causino il sollevamento della galleria, usando un tratto reale della metropolitana di Dalian in Cina come caso di studio.

Uno sguardo più ravvicinato sotto le strade

I ricercatori si sono concentrati su un tratto di galleria che corre sotto un terreno urbano costituito da riempimenti stratificati, argille e terreni ghiaiosi che contengono acqua di falda. Man mano che lo scudo avanza, rimane un piccolo interstizio tra il rivestimento circolare in calcestruzzo e il terreno circostante. Questo vuoto viene immediatamente riempito con una malta fluida per sostenere il terreno e mantenere stabile la galleria. Poiché la malta è più leggera e più fluida del terreno, e poiché il sottosuolo è acquifero, il rivestimento può essere spinto verso l’alto da una combinazione di pressione della malta e pressione dell’acqua. Studi precedenti spesso hanno trattato questo effetto in modo semplificato e non hanno tenuto pienamente conto di come l’acqua si muova nel terreno mentre la malta viene iniettata e indurisce.

Costruire una galleria virtuale al computer

Per dipanare questi processi, il team ha costruito un modello tridimensionale al computer della galleria, della malta e del terreno circostante. Il modello ha riprodotto gli strati geologici reali e ha consentito all’acqua di filtrare attraverso il terreno secondo leggi di flusso ben note. Ha inoltre simulato l’avanzamento passo passo della macchina di scavo: l’escavazione del terreno, il sostegno del fronte di scavo, l’installazione di ciascun anello di conci e l’iniezione della malta intorno a essi. Alla malta sono stati assegnati diversi livelli di rigidezza mentre passava da materiale fresco pompato a materiale indurito. Il modello è stato verificato rispetto a misurazioni di campo accurate, effettuate con punti di monitoraggio superficiali e un sistema di guida laser che ha tracciato il rivestimento della galleria durante l’avanzamento della macchina.

Come acqua e malta si combinano per sollevare la galleria

Le simulazioni hanno mostrato che la pressione dell’acqua attorno al rivestimento della galleria cambia bruscamente quando la macchina passa e la malta viene iniettata. Le variazioni più marcate della pressione dei pori si verificano nella parte bassa del rivestimento, cambiamenti più deboli appaiono ai lati e quelli più piccoli in cima. Il sollevamento segue un andamento simile: l’invert (fondo) della galleria si alza di più, i lati meno, e la chiave di volta (sommità) il minimo. La maggior parte del sollevamento totale avviene nei primi cinque anelli dietro la coda dello scudo, durante la fase in cui la malta è ancora molto fluida e la sua pressione è elevata. Man mano che la malta comincia a indurire e le tensioni nel terreno si riequilibrano, la crescita del sollevamento rallenta e alla fine si stabilizza. Quando si include la percolazione dell’acqua di falda, il sollevamento finale risulta sensibilmente maggiore: circa un quinto del sollevamento totale nel modello è dovuto alla percolazione che agisce insieme alla pressione della malta, e non alla sola malta.

Quali scelte costruttive peggiorano il sollevamento

Usando il modello validato, gli autori hanno poi variato fattori chiave a parità di altre condizioni. Le gallerie più profonde hanno mostrato un maggiore sollevamento, principalmente perché la pressione della falda aumenta con la profondità e favorisce l’espansione della malta e il sollevamento del rivestimento. Pressioni di grouting più elevate hanno prodotto anch’esse un sollevamento maggiore, sebbene questo effetto sia risultato minore rispetto a quello della profondità. Un altro fattore importante è stato quanto rapidamente e quanto vicino alla macchina la malta iniziava a indurirsi. Se il punto iniziale di presa si verificava più distante dietro lo scudo, la malta rimaneva fluida più a lungo attorno al rivestimento, consentendo più tempo perché il sollevamento si sviluppasse. Lo studio ha combinato queste tendenze in semplici formule empiriche che collegano il sollevamento alla profondità di posa, alla pressione di iniezione e alla distanza dal fronte di scavo, offrendo agli ingegneri un modo pratico per stimare il sollevamento in condizioni di terreno simili.

Implicazioni per viaggi sotterranei più sicuri

Per i non specialisti, il messaggio principale è che il sollevamento delle gallerie non dipende solo da quanto energicamente gli ingegneri pompano la malta: dipende anche in modo significativo da come l’acqua di falda si muove nel terreno e da quanto rapidamente la malta si irrigidisce. Catturando l’azione combinata della pressione della malta e della percolazione dell’acqua, e confrontando i risultati con misure reali, questo lavoro fornisce un quadro più realistico di come e quando i rivestimenti delle gallerie si sollevano durante la costruzione. I risultati possono aiutare i progettisti a scegliere profondità di posa, pressioni di iniezione e formulazioni di malta più sicure, riducendo il rischio di fessurazioni, infiltrazioni e rigonfiamenti della superficie mentre nuove linee metropolitane vengono costruite sotto le nostre città.

Citazione: Guo, J., Li, Z., Liu, J. et al. Analysis of segment uplift during shield tunnel construction considering stratum seepage effects. Sci Rep 16, 14501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44530-4

Parole chiave: sollevamento anelli scudo, percolazione della falda, iniezione di malta sincrona, costruzione gallerie metropolitane, modellazione numerica