Meccanismi di deformazione di una galleria esistente adiacente a un interrato profondo sostenuto da travi circolari in argille molli

Perché scavare in profondità accanto alle gallerie è importante

Man mano che le città crescono verso il basso anziché verso l’esterno, gli ingegneri devono realizzare grandi interrati sotterranei proprio accanto a gallerie della metropolitana in esercizio. Rimuovere terreno in suoli molli può causare spostamenti, fessurazioni o disallineamenti delle gallerie vicine. Questo studio analizza come un nuovo tipo di sistema di sostegno, che impiega travi circolari all’interno degli interrati profondi, modifica il modo in cui il terreno si deforma e quanto le gallerie vicine ne siano influenzate, offrendo indicazioni per mantenere sicuri i sistemi ferroviari urbani durante la costruzione.

Osservare una grande fossa in argilla molle

I ricercatori hanno preso avvio da un progetto reale in argilla molle, dove un interrato molto ampio è stato scavato utilizzando un sistema di sostegno non convenzionale. Invece delle tradizionali travi diritte di contrasto, gli appaltatori hanno usato due grandi travi circolari in calcestruzzo per irrigidire le pareti. Il sito era ampiamente strumentato, con sensori che monitoravano la flessione delle pareti e l’assestamento della superficie mentre il terreno veniva rimosso per fasi. Usando queste informazioni di campo dettagliate, il team ha costruito un modello numerico tridimensionale che riproduceva esattamente gli strati del terreno, la disposizione delle pareti e delle travi e la sequenza di scavo impiegata in cantiere.

Confrontare le previsioni del calcolatore con il movimento reale del terreno

Per assicurarsi che il modello numerico rispecchiasse la realtà, gli autori hanno confrontato le sue previsioni con quanto registrato dagli strumenti. Hanno utilizzato un avanzato modello del suolo tarato per il comportamento delle argille molli, che si irrigidiscono a deformazioni molto piccole e poi si addolciscono quando vengono disturbate. Lo scostamento laterale calcolato delle pareti di contenimento e l’affossamento della superficie sono risultati quasi perfettamente in accordo con le misure. Il massimo cedimento del terreno previsto dal modello differiva dal valore osservato di meno del due percento, e il modello ha anche catturato dove si è verificato il maggiore cedimento e quanto si estendeva la zona disturbata dietro lo scavo. Questo stretto accordo ha dato al team la fiducia per usare il modello nell’esplorare molti altri assetti di gallerie e interrati che sarebbero stati difficili o impossibili da testare in campo.

Come si muovono realmente le gallerie vicine

Con il modello validato, i ricercatori hanno simulato una tipica galleria della metropolitana situata vicino a un lato di un interrato profondo sostenuto da travi circolari. Hanno variato tre fattori principali: quanto terreno c’era sopra la volta della galleria, a quale distanza si trovava la galleria dall’interrato e quanto era lunga la struttura rispetto alla sua profondità. Le simulazioni hanno mostrato che la galleria non si limita a sprofondare; si muove invece in tre dimensioni, con la flessione laterale che gioca il ruolo dominante. I maggiori spostamenti della galleria si verificano direttamente di fronte al centro dell’interrato e, per molti assetti realistici, lo spostamento laterale risultava quasi il doppio del cedimento verticale. All’aumentare della distanza tra galleria e interrato, sia gli spostamenti laterali sia quelli verticali diminuivano drasticamente, soprattutto entro un intervallo di circa una-due profondità di scavo.

La profondità di sotterramento e le dimensioni dell’interrato cambiano il rischio

La quantità di terreno sopra la galleria ha mostrato un effetto non intuitivo. Posizionando la galleria a profondità maggiori, i movimenti inizialmente aumentavano per poi diminuire nuovamente, con la risposta più forte tipicamente quando la volta della galleria si trovava a una profondità poco superiore alla metà della profondità di scavo. Anche la forma della distorsione della galleria attorno alla sezione trasversale ruotava al cambiare della profondità, spostando i punti di massima deformazione. Le dimensioni dell’interrato erano ugualmente importanti: gli scavi più lunghi rilasciavano più sollecitazioni nell’argilla circostante, facendo aumentare sia lo spostamento laterale della galleria sia il cedimento quasi in modo lineare con la lunghezza dell’interrato. Quando l’interrato diventava più di circa sei volte la sua profondità, i movimenti previsti della galleria superavano i limiti di servizio comuni a meno che non fossero incluse misure protettive speciali.

Un grafico semplice da usare per gli ingegneri

Per trasformare questi complessi risultati tridimensionali in uno strumento pratico, gli autori hanno condensato le loro simulazioni in un semplice diagramma progettuale. Il grafico suddivide lo spazio attorno a un interrato in zone dove i movimenti della galleria previsti sono trascurabili, modesti o sufficientemente grandi da destare preoccupazione. Queste zone dipendono principalmente dalla distanza della galleria dall’interrato e dalla sua profondità rispetto allo scavo. Per ciascuna combinazione, il grafico indica se il movimento della galleria probabilmente resterà entro cinque, dieci o venti millimetri, oppure se supererà tali soglie.

Cosa significa per le costruzioni urbane

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che gli interrati profondi sostenuti da travi circolari in argilla molle possono essere realizzati in sicurezza vicino a gallerie della metropolitana, ma il movimento della galleria è controllato principalmente da distanza, profondità e lunghezza dell’interrato. La spinta laterale sulla galleria è di solito più critica del semplice cedimento verticale. Il grafico di progetto proposto in questo lavoro fornisce agli ingegneri un modo rapido per valutare quando uno scavo pianificato probabilmente non creerà problemi e quando sono necessarie misure aggiuntive di protezione, come il miglioramento del terreno o paratie di isolamento, prima di iniziare gli scavi.

Citazione: Qi, S., Wang, B. Deformation mechanisms of an existing tunnel adjacent to deep basement supported by circular beams in soft clays. Sci Rep 16, 14633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50853-z

Parole chiave: deformazione della galleria, scavo profondo, argilla molle, costruzione di interrati, sicurezza della galleria della metropolitana