La progettazione di gallerie in condizioni di terra morbide richiede una comprensione sfumata della meccanica del suolo e delle tecniche di costruzione avanzate. Il terreno morbido, materiali di compensazione come argilla, limo, loess e sabbia sciolta, rappresenta sfide significative a causa della sua bassa resistenza al taglio, elevata compressione e sensibilità al disturbo.

Comprensione delle condizioni di terra morbida

Il terreno morbido è definito dalla sua bassa resistenza al taglio non disegnata, tipicamente inferiore a 50 kPa, e ad alta compressione, che porta a deformazioni significative sotto carico. Il comportamento di tali terreni durante lo scavo è governato da fattori come lo stato di stress iniziale, la pressione dell'acqua pora e il tessuto del suolo.

Tipi di Morbido Terreno

  • Clay:[] Terreno finemente granulato e coeso che presenta elevata plasticità e bassa permeabilità. È incline a squisire il comportamento del terreno dove il diametro del tunnel riduce a causa del movimento del suolo interno.
  • Silt:[] Intermedio tra sabbia e argilla, spesso sciolto e con bassa coesione. Silt può liquefare sotto carichi dinamici o quando sottoposto a grandi cambiamenti di stress.
  • Sabbia sciolta:[] Terreno granulare con un'infinità di interparticelle, che può scorrere nella parete del tunnel senza supporto, causando ravelling o condizioni di terra in esecuzione.
  • Calzini e torba organici:[ Altamente comprimibile e debole, questi terreni sono raramente adatti per tunneling senza un ampio miglioramento del terreno.

Proprietà Geotecniche

I parametri di forza del terreno che influenzano il disegno del tunnel includono la forza del taglio (sottotitolati e drenati), la compressione (coefficiente di cambiamento del volume), la permeabilità] (coefficiente di drenaggio e consolidamento del terreno)

Sfide comuni nel tunnel sotto terra morbida

  • L'insediamento di superficie dovuto alla perdita di volume nello scavo può danneggiare le strutture, le utilità e le strade vicine.
  • Instabilità della pace:[ La faccia di scavo può crollare se la pressione di sostegno applicata è insufficiente per bilanciare le pressioni della terra e dell'acqua in-situ, in particolare nei terreni non coesi.
  • Squeezing Ground:[] In argille morbide, il rivestimento del tunnel può sperimentare grandi deformazioni radiali a causa di alta pressione sovraccarica, che richiedono un supporto flessibile o un aumento dello spessore dell'anello.
  • Ingresso dell'acqua:[ I livelli di acqua sotterranea elevati possono portare a deflusso d'acqua nel tunnel, erodendo particelle di suolo e indebolindo il terreno circostante.

Geotecnica Investigazione per tunnel terrestri

Prima dell'inizio del progetto, è obbligatoria una indagine geotecnica completa, che include l'esplorazione del campo, il test di laboratorio e il monitoraggio delle acque sotterranee.

  • Boreholes and Sampling:[] Risposa a intervalli di campionamento del nucleo continuo lungo l'allineamento del tunnel per identificare lo strato del suolo e ottenere campioni indisturbati per la prova.
  • In-Situ Testing:[ Test di penetrazione standard (SPT) e test di penetrazione del cono (CPT) nelle sabbie; prove di taglio e test di misura del misuratore di pressione nelle argille per misurare la forza e il modulo non disegnati.
  • Monitoraggio dell'acqua:[] Installazione di standpipes o piezometers per misurare la testa idraulica, la permeabilità e le potenziali condizioni artesian.
  • Test di processo:[[] Test di consolidamento (oedometro), test di taglio triassiale (UU, CIU, CID), e test di proprietà indici (limiti di Atterberg, distribuzione granulosa).

I dati di queste indagini vengono utilizzati per sviluppare un modello di terra che preveda il comportamento durante lo scavo.Per i siti complessi, la modellazione numerica (ad esempio, l'analisi degli elementi finiti) è spesso utilizzata per simulare le variazioni di deformazione e di stress.

Considerazioni di progettazione chiave per tunnel in terra morbida

Miglioramento del suolo

Migliorare le proprietà del suolo in-situ prima che lo scavo possa ridurre significativamente i rischi.

  • Stabilizzazione del suolo:[]] Concimi di cemento, calce o leganti polimerici con il terreno per aumentare la resistenza e ridurre la comprimabilità.
  • Grottamento:[] Iniezione di cemento, sostanze chimiche o resine per riempire vuoti e ridurre la permeabilità. La permeazione funziona bene nelle sabbie, mentre la grana a getto crea colonne di terreno migliorato adatto per la stabilizzazione del viso.
  • Drenaggi di carico e verticale:[] Applicando un carico di sovrapprezzo temporaneo per consolidare argille morbide, riducendo gli insediamenti a lungo termine.
  • Gruppo di operazione:[] Pompaggio a basso profilo per densificare terreni granulari sciolti, mitigando il potenziale di liquefazione.

Sistemi di supporto

I sistemi di supporto immediato e permanente devono essere progettati per resistere ai carichi imposti da terra morbida, consentendo deformazioni controllate.

  • Scotcrete:[] Applicato pneumaticamente in strati, spesso con rinforzo in fibra d'acciaio. Shotcrete fornisce il tempo di stand-up immediato per gallerie sequenziali scavate, come nel NATM.
  • Steel Ribs e Lattice Girders:[] Installato a intervalli regolari per fornire supporto strutturale fino a quando non è collocato il rivestimento finale. Le costole sono particolarmente utili nel terreno di squeezing dove si aspettano elevate deformazioni.
  • I rivestimenti Segmentali prefabbricati: Usati con operazioni TBM, questi segmenti di cemento forniscono una forte, tenuta finale immediatamente dopo l'erezione. I segmenti sono progettati per resistere sia alle forze di compressione che di trazione, e la loro geometria (ad esempio, anelli a nastro) permette lo sterzo curva.
  • Pipe Umbrella Systems:[ In terra debole, i tubi in acciaio sono installati intorno al perimetro del tunnel davanti al viso per creare un baldacchino protettivo, riducendo il rischio di collasso del viso.

Tunnel Forma e Dimensioni

In morbido terreno, una forma circolare è spesso preferita perché distribuisce lo stress del cerchio in modo uniforme e minimizza i momenti di flessione nel rivestimento. Dove vincoli spaziali o requisiti funzionali non circolari forme (ad esempio, ferro di cavallo per gallerie stradali), il design deve tenere conto di maggiori sollecitazioni di piegamento nell'invertimento e nella corona.

Controllo dell'acqua

La gestione delle acque sotterranee è uno degli aspetti più impegnativi del tunneling a terra morbido. Gli alti flussi d'acqua possono erodere delle raffinerie, portando a cavità e collassi improvvisi.

  • Dewatering:[] Pompare acqua di terra da pozzi intorno al tunnel di allineamento per abbassare temporaneamente il tavolo dell'acqua. Questo è efficace nelle sabbie, ma può causare consolidamento di insediamento in argille se non accuratamente gestito.
  • Trattamento aria compressa:[] Usando l'aria compressa nel tunnel per bilanciare la pressione delle acque sotterranee, impedendo il flusso. Tuttavia, questo metodo è pericoloso a causa dei rischi per la salute dei lavoratori (malattia di decompressione) ed è ora meno comune.
  • Sistemi di impermeabilizzazione:[] Installazione di membrane semipermeabili o impermeabili tra i rivestimenti primari e secondari.Per i rivestimenti segmentali prefabbricati, le guarnizioni in giunti di segmento forniscono tenuta stagna.
  • Grout Curtains:[] Iniettando una granata a bassa permeabilità nel terreno intorno al tunnel per creare una barriera al flusso d'acqua, spesso utilizzata in terreni permeabili con alta pressione dell'acqua.

Monitoraggio e flessibilità

L'uso e il monitoraggio sono essenziali per verificare le ipotesi di progettazione e per consentire modifiche in tempo reale. Il metodo osservativo, formalizzato da Peck (1969), consente agli ingegneri di modificare le procedure di costruzione in base al comportamento osservato.

  • Impostazioni di superficie:[] Misurato con precisi array di livellamento, misura della distanza elettronica (EDM), o scansioni LIDAR.
  • Movimenti terrestri profondi:[] Inclinmetri ed estensori installati in fori per monitorare lo spostamento del suolo a profondità.
  • Pore pressione dell'acqua:[] Piezometers per monitorare i cambiamenti durante l'acqua o lo scavo, allertando a potenziali instabilità.
  • Lining Stress e Strain:[[]] Le celle di carico e di misura incorporate nella fodera per monitorare la salute strutturale.

I livelli di trigger devono essere definiti durante il disegno, ad esempio se l'insediamento supera una soglia, si può attivare il grouting o il supporto aggiuntivo.

Metodi di costruzione per tunnel terrestri

La scelta del metodo di costruzione dipende dalla profondità del tunnel, dal tipo di terreno, dalle condizioni di falda e dai vincoli di progetto. I tre metodi principali sono macchine tagliate e coperte, macchine per la perforazione del tunnel (TBM), e il nuovo metodo di tunneling austriaco (NATM).

Taglio e ricircolo

Questo metodo consiste nello scavare un fosso dalla superficie, nella costruzione della struttura del tunnel all'interno di esso, nel riempimento del retro. È adatto per i tunnel poco profondi (fino a 10-15 m di profondità) nelle aree aperte con uno sviluppo superficiale minimo. Due varianti comuni sono la costruzione del fondo e del piano superiore.

Macchine per il trasporto di tunnel (TBM)

I TBM sono sempre più dominanti per i tunnel a terra morbida a causa della loro velocità, sicurezza e disagi superficiali minimi.

  • Earth Pressure Balance (EPB) TBMs:] Il terreno scavato viene utilizzato come mezzo di pressione nella camera di taglio per sostenere il viso. Il terreno è mescolato con additivi (foam, bentonite) per controllare la permeabilità e la consistenza. Le macchine EPB sono ideali per terreni coesivi e condizioni miste dove la pressione delle falde è moderata.
  • Scudo di liquami TBMs: Una liquami di bentonite viene utilizzata per esercitare pressione sul viso e trasportare il terreno scavato. La liquami forma una torta filtrante sul viso, stabilizzandola anche sotto alte pressioni dell'acqua. Gli scudi di liquami sono preferiti per sabbie e ghiaia permeabili dove il controllo delle acque sotterranee è critico.

Entrambi i tipi richiedono un'installazione continua del rivestimento utilizzando segmenti prefabbricati. Il design del TBM deve tener conto della gamma completa delle condizioni di terra previste, compresi i massi o gli ostacoli che possono richiedere l'intervento. Per specifiche dettagliate, fare riferimento alla International Society for Rock Mechanics (ISRM)] pubblicazioni su tunneling TBM.

Nuovo metodo di tunneling austriaco (NATM)

Conosciuto anche come metodo di scavo sequenziale (SEM), NATM si basa sulla mobilitazione della forza del terreno circostante permettendo deformazioni controllate. Il supporto primario – tipicamente in calcestruzzo, bulloni rocciosi e archi in acciaio – è installato immediatamente dopo lo scavo, mentre il rivestimento finale è dopo stabilizzazione della deformazione.

  • Sequenza di escavazione:[] Il volto è diviso in in testa, panca e invertite fasi per ridurre la durata non sostenuta.
  • Supporto di pace:[[]] I tasselli di vetro o la griglia orizzontale del getto possono essere installati davanti al viso per evitare l'instabilità.
  • In questo modo, flessibile Fodera:[] Il rivestimento in calcestruzzo è progettato per produrre leggermente, permettendo al terreno di arcarersi intorno al tunnel, riducendo i momenti di curvatura ma richiede una robusta strumentazione per garantire la sicurezza.

NATM è vantaggioso per le sezioni non circolari o per le grandi apparecchiature TBM è difficile, ma richiede equipaggiamenti altamente qualificati e monitoraggio continuo, rendendolo meno adatto per progetti con orari rigorosi o terreno debole che non possono essere esposti in modo sicuro.

Valutazione del rischio e Mitigazione

La gestione del rischio è parte integrante del tunnel sotto terra morbido.

  • Le cavità e la cascina del camino:[] Causata da un crollo improvviso del viso o dall'erosione delle acque sotterranee. La mitigazione include un attento controllo della pressione del viso con TBM e l'uso di ombrelloni in NATM.
  • Danni strutturali agli edifici sovrapposti:[] Gli insediamenti della Fondazione possono essere mitigati da un'indennizzo di compensazione, iniettando il grout per le strutture di sollevamento, o utilizzando sistemi di supporto rigidi che minimizzano la perdita di volume.
  • Sono necessari sistemi di impermeabilizzazione e pompe di emergenza ridondanti. Per TBM, un'operazione a ciclo chiuso con la faccia pressurizzata mantiene l'acqua.
  • Carbide Wear e Tool Damage:[] In terreni abrasivi, l'usura della testa di taglio su TBMs può portare a ritardi.

Le valutazioni dei rischi di costruzione, la modellazione probabilistica (ad esempio, la simulazione di condizioni di terra di Monte Carlo), e i piani di contingenza per il miglioramento del terreno sono standard.

Studi e lezioni di casi

I progetti di tunnel di rilievo illustrano i principi del design a terra morbido.]Channel Tunnel, costruito attraverso il marl di gesso, usato TBMs con monitoraggio sistematico del volto per mantenere la stabilità. Boston Central Artery / Teznel impiegato pareti di liquame profonde e NATM in morbido argilla blu, limitando

Conclusioni

La progettazione di gallerie in terreno morbido è un equilibrio di comprensione del comportamento del suolo, l'applicazione di miglioramenti adeguati al suolo e la selezione di metodi di costruzione che si allineano con i rischi del progetto. Nessun approccio unico si adatta a tutte le condizioni; progetti di successo integrano approfondite indagini geotecniche, modellazione realistica e monitoraggio continuo con la flessibilità di regolare.