Crack formation and damage evolution during consolidation in TBM driven tunnel linings in fine-grained soils

The paper deals with the numerical modelling of crack formation in segmental tunnel linings. A series of numerical analyses was conducted using the finite difference code FLAC2D. The primary aims of the analyses were to back-analyse the damage pattern observed in a TBM driven hydraulic tunnel excavated in clayey soils and to evaluate the safety level of the excavation assessing the stress and strain state of the lining. The excavation of the tunnel and the lining installation were simulated in plane-strain undrained conditions, adopting the stress reduction method. To take into consideration the peculiar interaction mechanism, identified as the cause the damages, the stress release was differentiated based on the orientation along the tunnel wall. Two distinct modelling strategies were used to model the tunnel lining: at first, simple beam elements were used, then, small continuum elements and cable elements were employed to represent the concrete and the steel bars respectively. The implemented algorithm allowed to simulate explicitly the formation of the cracks and their progressive development. Finally, consolidation analyses were carried out to assess the evolution of the damage and the long-term stress and strain level of the lining. The numerical analyses allowed to reproduce the observed damage pattern and to reliably evaluate the stress and strain state in the damaged lining. Furthermore, the long-term analyses showed that the consolidation process has a beneficial effect as the equalization of the pore pressures causes a reduction of the load eccentricity on the lining, thus progressively increasing the level of safety over time. The investigation of the causes of the reported damage and its numerical modelling allowed to remark the importance of proper tail void grouting when excavating under high cover depths in squeezing soils

Un'applicazione atipica del vacuum consolidation per il consolidamento rapido di terreni argillosi nella vasca di colmata di Gaeta

La nota presenta un adattamento della classica tecnica del vacuum consolidation per la sua applicazione in condizioni subacquee, nell'ambito del consolidamento dei terreni a grana fine della vasca di colmata di Gaeta (LT). L’approfondimento dei fondali antistanti il Porto richiede l’escavo di circa 360 000 m3 di sedimenti prevalentemente a grana fine che saranno refluiti in una vasca di colmata già esistente, il cui volume è stato preliminarmente incrementato mediante un sovralzo arginale. La principale problematica geotecnica affrontata nello studio è legata al modesto volume della vasca rispetto ai volumi di terreno interessati dall'escavo. La soluzione ideata prevede l’utilizzo di sistemi drenanti accoppiati ad un sistema di vacuum consolidation che hanno lo scopo di incrementare la capacità ricettiva della vasca accelerando i processi di consolidazione e aumentando lo stato tensionale efficace

Impiego di un modello costitutivo avanzato per lo studio dell'interazione terreno-rivestimento per gallerie scavate in TBM

La nota affronta lo studio dell’interazione terreno-rivestimento per gallerie scavate in TBM in terreni a grana fine. Al fine di simulare i principali aspetti del comportamento tensio-deformativo delle argille, è stato impiegato un modello costitutivo avanzato ad incrudimento cinematico formulato nell’ambito della bounding surface plasticity. In una prima fase del lavoro, il modello è stato implementato in un codice di calcolo alle differenze finite e la sua risposta testata attraverso una serie di analisi parametriche a livello di elemento di volume. In questa nota, il modello è stato utilizzato per studiare il problema di interazione con riferimento ad un caso reale. La previsione del modello, in termini di sollecitazioni sul rivestimento, è stata confrontata con i dati di monitoraggio, evidenziando un migliore accordo con il dato sperimentale rispetto ai risultati ottenuti impiegando un legame costitutivo semplice

La gestione del condizionamento del terreno nello scavo meccanizzato di una galleria con TBM-EPB. Risultati di una attività sperimentale

Nello scavo meccanizzato di gallerie realizzato mediante l’utilizzo di TBM-EPB il corretto condizionamento del terreno assume un ruolo spesso decisivo garantendo buone e costanti performance di scavo, la corretta applicazione della pressione al fronte necessaria a contenere i cedimenti in superficie e la riduzione della usura degli utensili di scavo o di adesione del terreno a grana fine (clogging). La scelta degli agenti condizionanti è quasi sempre effettuata sulla base di esperienze pregresse mentre il corretto dosaggio viene stabilito durante il primo tratto di scavo definito di “apprendimento”; in tale tratto, partendo da dati di letteratura, da classificazioni generali e raramente da risultati di sperimentazioni in laboratorio, si modificano le modalità di iniezione degli agenti condizionanti in base alle performance di scavo registrate in tempo reale. In questa nota sono presentati i risultati di una attività sperimentale svolta su campioni di terreno a grana fine per verificare gli effetti della iniezione di differenti prodotti chimici nel terreno allo scopo di ridurre il rischio di adesione di porzioni di terreno agli utensili e alle altre parti metalliche della testa della TBM (effetto clogging). L’uso sistematico di tali prove da parte di quanti coinvolti nella gestione delle TBM prima dell’inizio delle attività di scavo, potrebbe permettere di operare una scelta più accurata dei prodotti chimici da utilizzare e di ridurre sensibilmente la fase di apprendimento limitando tempi, costi e rischi. Le stesse prove di laboratorio sono utilmente eseguite insieme ai fornitori dei prodotti chimici al fine di sviluppare nuove formule più efficaci e maggiormente rispondenti alle specifiche necessità del cantiere

Modellazione numerica dei processi di consolidazione dei fanghi di dragaggio nella vasca di colmata di Gaeta

L’immissione in vasca di colmata è una delle principali e più efficienti opzioni di gestione dei materiali di dragaggio. Quando vengono impiegate draghe aspiranti-refluenti, il terreno viene immesso in vasca ad alti rapporti volumetrici acqua:solido e subisce poi significative variazioni di stato, delle proprietà meccaniche e di permeabilità. Nella nota, con riferimento alla vasca di colmata di Gaeta (LT), si illustrano due strategie di modellazione numerica messe a punto impiegando codici di calcolo di diversa complessità per simulare le peculiarità di questa classe di problemi al finito. I risultati ottenuti mostrano che, anche utilizzando un modello semplice, formulare oculatamente le ipotesi necessarie alla modellazione e identificare correttamente le condizioni di carico permette di descrivere i fenomeni in modo ingegneristicamente soddisfacente

Design of an underground railway station beneath a historic building in Rome and class A predictions of the induced effects

The railway station Flaminio, currently located at street level, will be relocated underground to connect the railway with the existing line A metro station. This paper describes the technical and technological solutions adopted in the design to minimize tunnelling-induced effects on the surface and, in particular, on an old masonry building, whose foundations are very close to the roof of the new three-tunnel station. To reduce the risks, pre-confinement works and soil improvements were designed; furthermore, a very stiff pre-support system consisting of 36 horizontal steel pipes filled with concrete, located just above the tunnels and installed using a special Micro Tunnel Boring Machine, was devised. The paper also presents the numerical models developed both in 2D and 3D to study the soil-structure interaction and the class A predictions in terms of expected settlements and potential damages induced

Effetti dell’introduzione di elementi elasto-plastici nel rivestimento preliminare di una galleria profonda in condizioni spingenti

Quando una galleria profonda viene scavata in terreni scadenti per la progettazione del rivestimento provvisorio risulta spesso vantaggioso seguire il cosiddetto yielding principle. Realizzare cioè un rivestimento nel quale possano verificarsi deformazioni circonferenziali per l’inserimento di elementi elasto-plastici capaci di consentire lo sviluppo di convergenze limitando lo stato di sforzo a valori compatibili con la capacità portante. L’interazione con il terreno avviene con modalità differenti rispetto al classico rivestimento omogeneo e non risulta più quindi possibile valutare correttamente i carichi agenti su questo con metodi semplificati. In condizioni di cavo circolare e di stato tensionale iniziale isotropo, adottando un semplice legame costitutivo dell’ammasso di tipo elasto-plastico perfetto privo di dilatanza, in questo lavoro sono illustrati i risultati di analisi numeriche 2D di interazione terreno-struttura con lo scopo di evidenziare le modifiche cinematiche e tensionali che l’introduzione degli elementi elasto-plastici comporta rispetto al caso di rivestimento omogeneo

Impermeabilizzazione di gallerie in tradizionale utilizzando sistemi di giunti di fessurazione programmata

Nello scavo in tradizionale, come alternativa all’utilizzo della membrana in PVC installata tra il rivestimento provvisorio e quello definitivo, l’impermeabilizzazione può essere garantita predisponendo un sistema di elementi di fessurazione programmata installati all’interno del rivestimento definitivo e se necessario dell’arco rovescio. Inoltre la rimozione del telo in PVC, associata all’utilizzo di calcestruzzo proiettato additivato con acceleranti alkali-free a base di solfati di alluminio e all’utilizzo di centine metalliche con sezione circolare, darebbe la possibilità di tenere in conto del contributo statico del rivestimento provvisorio anche a lungo termine. Lo studio mostra come è possibile garantire la tenuta idraulica in galleria rimuovendo la classica membrana in PVC, senza però interferire nelle tipiche fasi costruttive, e quantifica la percentuale di materiale che si risparmierebbe utilizzando questa tecnologia