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Validazione per mezzo di analisi numeriche di una strumentazione innovative per il monitoraggio delle misure di convergenza in scavi in sotterraneo

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Abstract

Negli ultimi anni, il continuo progresso tecnologico e l'avvento di tecnologie a basso costo ha caratterizzato le attività di ricerca di numerose aziende ed enti universitari, finalizzate a proporre ed individuare nuove strumentazioni e metodologie indirizzate al monitoraggio ad alta frequenza ed in quasi tempo reale di pendii naturali e/o artificiali, opere geotecniche e scavi in sotterraneo. Il presente articolo riguarda l'applicazione e la validazione di una nuova tipologia di sensori, definiti Cir Array, in grado di rilevare la convergenza di gallerie da remoto e senza l'intervento di operatori, sia in fase di scavo che di messa in esercizio dell'infrastruttura. Il sito pilota è stato individuato in una galleria idraulica in centro Italia, soggetta a movimenti gravitativi tali da caratterizzarne un'ingente deformazione ed un successivo ripristino mediante lavorazioni straordinarie. I risultati proposti mettono a confronto i valori ottenuti nel primo mese di monitoraggio, a partire dallo scavo e conseguente installazione dei sensori, con i movimenti attesi dal modello previsionale, realizzato in fase di progetto.
VALIDAZIONE PER MEZZO DI ANALISI NUMERICHE DI UNA
STRUMENTAZIONE INNOVATIVA PER IL MONITORAGGIO DELLE
MISURE DI CONVERGENZA IN SCAVI IN SOTTERRANEO
Edoardo Cavalca (edoardo.cavalca@studenti.unipr.it)
DIA, Università degli Studi di Parma
Andrea Carri (andrea.carri@studenti.unipr.it)
DIA, Università degli Studi di Parma
Roberto Savi (roberto.savi1@studenti.unipr.it)
DIA, Università degli Studi di Parma
ABSTRACT. Negli ultimi anni, il continuo progresso tecnologico e l’avvento di tecnologie a basso costo ha
caratterizzato le attività di ricerca di numerose aziende ed enti universitari, finalizzate a proporre ed individuare
nuove strumentazioni e metodologie indirizzate al monitoraggio ad alta frequenza ed in quasi tempo reale di
pendii naturali e/o artificiali, opere geotecniche e scavi in sotterraneo. Il presente articolo riguarda l’applicazione
e la validazione di una nuova tipologia di sensori, definiti Cir Array, in grado di rilevare la convergenza di
gallerie da remoto e senza l’intervento di operatori, sia in fase di scavo che di messa in esercizio
dell’infrastruttura. Il sito pilota è stato individuato in una galleria idraulica in centro Italia, soggetta a movimenti
gravitativi tali da caratterizzarne un’ingente deformazione ed un successivo ripristino mediante lavorazioni
straordinarie. I risultati proposti mettono a confronto i valori ottenuti nel primo mese di monitoraggio, a partire
dallo scavo e conseguente installazione dei sensori, con i movimenti attesi dal modello previsionale, realizzato in
fase di progetto.
1. INTRODUZIONE
I recenti problemi di siccità che hanno interessato la nostra penisola hanno posto il tema della gestione idrica
al centro della politica e dell’opinione pubblica. In particolar modo, nell’ottica di una massima valorizzazione
della risorsa, risulta di primaria importanza il contenimento delle perdite e la massimizzazione del rendimento
delle reti acquedottistiche. Il sito discusso nel presente articolo è rappresentato da una galleria idraulica
interessata da progressivi movimenti dell’ammasso roccioso, indotti da un fenomeno gravitativo, tali da rendere
inservibile l’opera. L’importanza strategica dell’infrastruttura ne ha richiesto il completo ripristino, con
lavorazioni iniziate nel corso del 2017. Il progetto ha previsto l’installazione di una serie di sistemi automatici di
misura della convergenza e delle deformazioni dell’ammasso roccioso, in grado di operare sia durante la fase di
scavo, di rivestimento finale e di esercizio, in modo completamente automatizzato. La strumentazione,
denominata Cir Array (Carri et al., 2017), è stata progettata per rispondere all’esigenza di avere un monitoraggio
attivo fin da subito, in grado di validare e/o correggere le assunzioni di progetto, concetto espresso in numerosi
articoli scientifici e metodi, quali il Metodo Osservazionale (Peck, 1969), NATM (Rabcewicz, 1964) e
l’approccio ADECO-RS (Lunardi, 1988).
2. STRUMENTAZIONE AUTOMATICA PER MISURE DI CONVERGENZA
La strumentazione per misure di convergenza in automatico Cir Array si presenta come una sequenza di nodi
(Link), equipaggiati con sensori MEMS 3D posizionati a distanze note e a conservazione di azimut. Tale
caratteristica è garantita dal collegamento mediante aste in fibra di vetro e connettori, mentre l’alimentazione
elettrica ed il segnale sono ottenuti per mezzo di un unico cavo elettrico quadripolare. A partire da un punto di
coordinate note, ogni sensore conosce la propria posizione nello spazio in riferimento al nodo precedente,
considerando un proprio segmento di pertinenza rigido, al termine del quale viene collocato il punto di calcolo.
Cumulando ogni singolo contributo, si è dunque in grado di risalire alla posizione assoluta di ogni nodo e
all’evoluzione temporale della stessa. La centralina di raccolta dati interroga i sensori a intervalli di tempi
prestabiliti e modificabili in qualsiasi momento. Nel presente caso di studio è stato definito un periodo di
campionamento pari a 15 minuti. Lo strumento è installato direttamente sulla roccia, immediatamente dopo la
fase di scavo, ed inizia fin da subito ad essere operativo, senza essere di alcun intralcio alle fasi di lavorazione, a
differenza di una tecnica ben consolidata quale la topografia.
L’applicazione pratica è stata svolta in seguito ai test eseguiti in laboratorio (Carri et al., 2017), nei quali si è
riprodotta una sezione di galleria in scala reale e sono state applicate deformazioni note, rilevate mediante la
sensoristica descritta, la fotogrammetria e le misure topografiche.
Il progetto definitivo prevede l’installazione di un totale di 7 Cir Array, messi in opera a partire da maggio
2017. Ogni catena è composta da 20 nodi posizionati ad una distanza pari a 1 metro, fatta eccezione per i Link
posti nell’arco rovescio. Come fatto precedentemente in laboratorio, gli autori hanno deciso di considerare una
stella di convergenza (Figura 1), simile a quella utilizzata nei metodi di monitoraggio tradizionale, ed operare un
confronto con il modello previsionale osservando la variazione nel tempo di tali segmenti.
Figura 1. Segmenti di convergenza individuati in fase di progetto e collocazione del Cir Array all’interno della sezione.
3. MODELLO NUMERICO
Durante la fase progettuale è stato realizzato un modello preliminare e previsionale bidimensionale mediante
il software RS2® (Rock and Soil bidimensional), sviluppato da Rocscience®, fondato sul metodo degli elementi
finiti. Il programma è in grado di individuare spostamenti, sforzi e potenziali rotture di materiale inteso come
continuo equivalente. La sezione considerata (Figura 2) ha un’estensione planare pari a 100 m, con un’altezza di
50 m, entrambi dimensionati per evitare gli effetti di bordo. La sezione dello scavo ha un diametro pari a 6.87 m,
mentre la fascia di plasticizzazione si estende per 15 m ai lati dello scavo e per 28 m in altezza. La griglia
realizzata è costituita da 15235 elementi e 30686 nodi di calcolo. I vincoli sono costituiti da carrelli.
Figura 2. Estensione del modello numerico e dettaglio della zona di scavo e della fascia di plasticizzazione.
La simulazione numerica è stata suddivisa in 7 stage di calcolo, al fine di simulare il progressivo disturbo
dell’ammasso roccioso indotto dallo scavo originale (stage 1, 2, 3 e 4) effettuato circa 80 anni fa, ed il successivo
allargamento (stage 5 e 6), realizzato a partire da maggio 2017.
Tabella 1. Criteri di rottura, parametri di rigidezza e di resistenza meccanica dell’ammasso roccioso.
Stage 1
Stage 4
Stage 1
Stage 4
Criterio di rottura
Mohr-Coulomb
Mohr-Coulomb
Coesione (picco)
1.90 MPa
0.05 MPa
Resistenza al taglio (picco)
1.33 MPa
0.01 MPa
Modulo di Young
4658 MPa
50 MPa
Angolo di attrito (picco)
54.5°
50.0°
Coefficiente di Poisson
0.25
0.30
In Tabella 1 sono riportati i criteri di rottura, i parametri di rigidezza e resistenza meccanica per l’ammasso
roccioso indisturbato (stage 1) e per la porzione plasticizzata (stage 4), ottenuti mediante prove geomeccaniche,
di laboratorio e correlazioni empiriche. Nei due ulteriori stage di calcolo (5 e 6) le caratteristiche meccaniche
dell’ammasso roccioso e della fascia plastica sono state mantenute costanti rispetto a quanto individuato nello
stage 4. Tale riduzione è stata determinata a seguito di una precedente fase di monitoraggio tradizionale (prima
dell’installazione del Cir Array) e successiva validazione dei parametri meccanici tramite modellazione numerica
agli elementi finiti ed è dovuta, molto probabilmente, all’intenso degrado della roccia all’interno del raggio
plastico. Durante la fase di modellazione dell’allargamento del tunnel sono stati tenuti in considerazione la
presenza di spritz-beton e centinature metalliche senza tuttavia considerare gli effetti 3D, vista la mancanza di
dati lungo l’asse longitudinale della galleria.
Il piano di monitoraggio dell’opera, previsto dal progetto, suddivide le sezioni in tre differenti tipologie
(definite A, B e C), a seconda delle differenti litologie presenti nell’ammasso roccioso circostante. Il presente
studio si concentrerà sulle sezioni di tipo B.
4. RISULTATI
Nelle sezioni di tipo B sono stati installati due Cir Array, denominati rispettivamente DT0040 e DT0054,
che di seguito saranno analizzati considerando i segmenti riportati in Figura 1 ed i medesimi risultati forniti dal
modello preliminare. In particolare, per considerare il completo sviluppo della convergenza, i dati di spostamento
della catena di convergenza sono presi a un mese dalla data di installazione. Il risultato è mostrato in Figura 3.
Figura 3. Variazione della lunghezza dei segmenti di convergenza secondo il modello previsionale ed i Cir Array.
La comparazione fra modello e dati sperimentali ha identificato il medesimo comportamento qualitativo
meccanico, con il segmento S3 caratterizzato dal maggiore spostamento (un valore negativo indica un
accorciamento), mentre i massimi secondari sono rappresentati dai segmenti S2 e S4. Tutti questi vettori hanno in
comune il punto di calcolo 15, sul quale probabilmente sono concentrati i massimi spostamenti. Il segmento S7
risulta il più stabile, insieme a S6 (che ha mostrato però uno spostamento nel caso della DT0040).
Un’analisi quantitativa (Tabella 2) mostra i medesimi ordini di grandezza fra spostamenti individuati
sperimentalmente e previsti dal modello progettuale.
Tabella 2. Confronto quantitativo fra dati di spostamento sperimentali ad un mese dall’installazione e forniti dal modello.
ΔS1 [mm]
ΔS2 [mm]
ΔS3 [mm]
ΔS4 [mm]
ΔS5 [mm]
ΔS6 [mm]
ΔS7 [mm]
-2.2
-5.4
-18.5
-16.3
-10.0
-11.8
-4.6
3.9
-11.2
-13.7
-15.4
-0.3
-1.7
-2.2
-5.5
-9.9
-13.2
-10.0
-2.8
0.2
-1.8
Le differenze medie fra gli spostamenti individuati dai Cir Array e previsti dal modello sono pari
rispettivamente a 5.9 mm, per quanto riguarda la DT0040, e a 3.0 mm per la DT0054. La differenza dei medesimi
valori fra le due catene di convergenza è pari a 5.7 mm. Questo valore è probabilmente legato alle differenze
geologiche e litologiche fra le due sezioni osservate al momento dello scavo, distanti in planimetria 52 metri.
Un’ulteriore analisi si è concentrata sulla variazione dell’area dell’intera sezione. In Tabella 3 sono riportati i
risultati. Si può osservare come nel caso della DT0040 la variazione riscontrata nell’area della sezione sia dello
stesso ordine di grandezza e leggermente superiore rispetto a quanto ipotizzato dal modello (peraltro
coerentemente con quanto già osservato in Figura 3 e Tabella 2). Nel caso della DT0054 si ha una riduzione
inferiore, probabilmente legata al comportamento del punto di calcolo numero 1. In Figura 3 e Tabella 2 è
possibile infatti osservare come sia S1 e S5, segmenti che hanno in comune proprio il punto di calcolo 1, si
muovano meno in direzione convergente rispetto a quanto predice il modello.
Tabella 3. Confronto quantitativo fra dati di spostamento sperimentali ad un mese dall’installazione e forniti dal modello.
Area iniziale [m2]
Area finale [m2]
Variazione dell’Area [m2]
Variazione percentuale dell’area
DT0040
37.4417
37.3796
-0.0621
-0.17%
DT0054
37.4417
37.4269
-0.0149
-0.04%
Modello
37.4406
37.3881
-0.0525
-0.14%
5. CONCLUSIONI
Il presente lavoro mostra i risultati delle prime installazioni in sito della tecnologia automatica per le misure
di convergenza in scavi in sotterraneo definita Cir Array. L’applicazione è stata eseguita in una galleria idraulica
soggetta a lavori di ripristino dopo esser stata fortemente danneggiata da un moto gravitativo. Lo studio si è
concentrato su una delle tre tipologie di sezioni presenti nel progetto, nelle quali sono installati due degli
strumenti presentati. Gli spostamenti registrati sono stati confrontati con i movimenti previsti dal modello
numerico progettuale utilizzando i tradizionali segmenti di convergenza usati in topografia. L’andamento
qualitativo risulta pienamente coerente, mentre quantitativamente parlando si riscontrano valori dello stesso
ordine di grandezza. L’analisi della riduzione dell’area della sezione ha riportato ottimi risultati nel caso del
primo Cir Array, mentre il secondo strumento mostra una variazione inferiore, probabilmente legata agli effetti
del punto di calcolo numero 1 e delle differenze geologiche e litologiche fra le due sezioni.
Lo strumento risulta quindi un mezzo valido ed innovativo per monitorare l’evoluzione dei fenomeni di
convergenza e deformativi all’interno di scavi in sotterraneo. Qualora accoppiato ad un modello numerico
previsionale, è in grado di controllare le fasi costruttive, confermando o meno quanto previsto dal progetto,
attivando in questo secondo caso tutte le procedure opportune di adattamento del progetto alle osservazioni
sperimentali in sito, come previsto dal metodo osservazionale.
6. BIBLIOGRAFIA
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during construction and usage. ISRM International Symposium “Rock Mechanics for Africa”. Cape Town, RSA. Vol.
Symposium Series S93.
Lunardi P. (1988). ADECO-RS. Analisi delle deformazioni controllate nelle rocce e nei suoli. Seminar on “Design and
Construction of Tunnels”. ISMES. Bergamo.
Peck R.B. (1969). Advantage and limitations of the observational method in applied soil mechanics. Géotechnique, 19
(2): 171-187.
Rabcewicz L. (1964). The New Austrian Tunnelling Method, Part one. Water power. Nov: 453-457.
Rocscience. (2017). RS2 Manual. https://www.rocscience.com/rocscience/products/rs2 [ultimo accesso 14 nov. 2017].
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Analisi delle deformazioni controllate nelle rocce e nei suoli. Seminar on "Design and Construction of Tunnels
  • P Lunardi
Lunardi P. (1988). ADECO-RS. Analisi delle deformazioni controllate nelle rocce e nei suoli. Seminar on "Design and Construction of Tunnels". ISMES. Bergamo. Peck R.B. (1969). Advantage and limitations of the observational method in applied soil mechanics. Géotechnique, 19 (2): 171-187.
Innovative technologies for monitoring underground excavations during construction and usage
  • Carri A Chiapponi
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