Analisi numerica e ottimizzazione dell'impatto della costruzione di un complesso scavo su strutture metropolitane adiacenti

Perché lo scavo vicino importa per le metropolitane cittadine

Con la crescita delle città, nuove strade sotterranee e servizi devono spesso essere realizzati proprio accanto a gallerie della metropolitana in esercizio. Scavare fosse profonde per questi progetti può provocare lievi deformazioni e assestamenti delle gallerie vicine, mettendo potenzialmente a rischio la sicurezza e il comfort dei passeggeri nel lungo periodo. Questo studio esplora come una pianificazione attenta dell’ordine di scavo e della costruzione delle strutture interne possa mantenere i movimenti della galleria il più ridotti possibile, offrendo indicazioni per aree urbane affollate che devono costruire in spazi molto ristretti.

La sfida di condividere spazi sotterranei affollati

Quando gli ingegneri scavano una fossa profonda accanto a una linea metropolitana esistente, il terreno intorno alla fossa si rilassa e si muove verso lo spazio aperto. Allo stesso tempo, la galleria si comporta come un anello rigido sepolto nel terreno, modificando le possibili deformazioni del terreno stesso. Ricerche precedenti hanno mostrato che la distanza tra fossa e galleria, la profondità dello scavo e la geologia locale sono fattori determinanti, ma spesso lo scavo è stato trattato come un processo semplice e unidirezionale. Nella realtà, i progetti moderni sono più complessi: grandi condotti in calcestruzzo o cassoni stradali vengono gettati all’interno della fossa mentre lo scavo prosegue, e la crescente rigidezza di queste strutture influisce a sua volta sulla risposta del terreno e della galleria.

Un banco di prova virtuale sotto Pechino

Gli autori hanno costruito un dettagliato modello tridimensionale di un progetto reale nel distretto di Fengtai a Pechino, dove un lungo tunnel stradale e un grande condotto sotterraneo sono costruiti vicino alla Linea 10 della metropolitana. Il modello include strati di terreno, una fossa profonda rettangolare, paratie di sostegno, la galleria metropolitana e il cassone che sarà infine collocato nella fossa. Utilizzando modelli di comportamento del terreno ampiamente accettati, hanno simulato come il suolo e la galleria si sarebbero mossi man mano che il terreno veniva rimosso passo dopo passo e le strutture in calcestruzzo all’interno della fossa prendevano rigidità. Questo banco di prova virtuale ha permesso di confrontare diversi piani costruttivi che sarebbero stati impraticabili o rischiosi da provare in campo.

Dieci modi di scavare e costruire

La domanda chiave era come la sequenza delle operazioni influisse sul movimento della galleria. Il team ha combinato due scelte principali: se il cassone venisse gettato in direzione avanzante o in direzione inversa, e come procedesse l’avanzamento dello scavo. Sono stati testati dieci scenari che includevano scavo da un solo lato, scavo simmetrico da entrambi i lati, suddivisione della fossa in zone e un avanzamento a gradoni sfalsati. In ogni caso è stato monitorato l’assestamento verticale della galleria e lo spostamento laterale delle paratie. Pur mantenendo in tutti gli scenari movimenti della galleria contenuti, le differenze erano sufficienti a essere rilevanti rispetto a stringenti standard di sicurezza metropolitana.

Cosa hanno rivelato le simulazioni

Il piano più favorevole ha combinato la costruzione del cassone in direzione avanzante con uno scavo unidirezionale “da lontano a vicino”, ossia rimuovendo il terreno prima dal lato più distante dalla galleria sensibile e solo successivamente vicino alla galleria. Questo approccio ha permesso al terreno residuo vicino alla galleria di fungere da puntello temporaneo, mentre i segmenti di cassone gettati in precedenza avevano tempo per acquisire resistenza e contribuire a trasferire i carichi prima che lo scavo raggiungesse la zona critica. Al contrario, uno dei piani meno favorevoli prevedeva la costruzione del cassone in direzione inversa insieme a uno scavo simmetrico da entrambe le estremità. Tale combinazione ha causato lo scarico del terreno sotto la galleria da due direzioni contemporaneamente, generando un doppio picco nell’assestamento e un leggero aumento della flessione della galleria, sebbene i valori assoluti rimanessero sotto circa due millimetri.

Indicazioni pratiche per scavi urbani più sicuri

Per i non specialisti, il messaggio principale è che l’ordine con cui le strutture sotterranee vengono scavate e gettate non è un dettaglio secondario ma una scelta progettuale significativa. Privilegiare sequenze in cui lo scavo si avvicina gradualmente alle gallerie sensibili da lontano e dove nuove strutture in calcestruzzo sono poste precocemente per sostituire la resistenza del terreno rimosso permette agli ingegneri di ridurre l’assestamento della galleria di diversi punti percentuali senza aggiungere nuovi componenti o materiali. Sebbene il modello impieghi alcune semplificazioni e si concentri sulle differenze relative più che sui valori assoluti, fornisce a pianificatori e progettisti urbani un criterio razionale per scegliere piani costruttivi più sicuri quando fosse profonde e metropolitane operative devono coesistere.

Citazione: Sun, J., Dun, H., Chen, S. et al. Numerical analysis and optimization of the impact of complex foundation pit construction on the deformation of adjacent subway structures. Sci Rep 16, 15436 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46547-1

Parole chiave: galleria della metropolitana, fossa di fondazione profonda, sequenza di scavo, deformazione della galleria, analisi agli elementi finiti