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Il caso della galleria Cavallo

Sistemi innovativi di consolidamento del terreno per gallerie in argilla sulla Autostrada A14 "Adriatica", nella tratta Ancona Nord-Senigallia

All’interno del più esteso intervento di ampliamento e di ammodernamento dell’Autostrada A14, si inserisce il progetto esecutivo di ampliamento alla terza corsia della tratta Senigallia-Ancona Nord (Lotto 4), per una lunghezza complessiva di 18,940 km circa, che prevede anche l’adeguamento della galleria naturale Cavallo.

Immagini

  • La variante proposta per la galleria Cavallo Sud, unitamente alla tecnica innovativa del jet-grouting ad alta efficienza con sistema ETJ, ha raggiunto gli obiettivi prefissati
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    La variante proposta per la galleria Cavallo Sud, unitamente alla tecnica innovativa del jet-grouting ad alta efficienza con sistema ETJ, ha raggiunto gli obiettivi prefissati
  • L’ubicazione dell’intervento (Lotto 4)
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    L’ubicazione dell’intervento (Lotto 4)
  • La planimetria delle opere
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    La planimetria delle opere
  • Le fasi realizzative delle gallerie Cavallo Sud e Nord
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    Le fasi realizzative delle gallerie Cavallo Sud e Nord
  • Il profilo geologico di Progetto Esecutivo
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    Il profilo geologico di Progetto Esecutivo
  • Fronte di scavo nelle argille marnose
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    Fronte di scavo nelle argille marnose
  • Le planimetrie dell’ubicazione degli edifici
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    Le planimetrie dell’ubicazione degli edifici
  • Il profilo dell’ubicazione degli edifici
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    Il profilo dell’ubicazione degli edifici
  • Le sezioni tipo dell’ubicazione degli edifici
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    Le sezioni tipo dell’ubicazione degli edifici
  • La sezione tipo C2a del Progetto Esecutivo (PE)
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    La sezione tipo C2a del Progetto Esecutivo (PE)
  • La sezione tipo C2a del Progetto Esecutivo (PE)
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    La sezione tipo C2a del Progetto Esecutivo (PE)
  • Interventi da p.c. a protezione fabbricati previsti in Progetto Esecutivo
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    Interventi da p.c. a protezione fabbricati previsti in Progetto Esecutivo
  • Sezione tipo C1 ETJ di variante
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    Sezione tipo C1 ETJ di variante
  • Sezione tipo C1 ETJ di variante
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    Sezione tipo C1 ETJ di variante
  • Il profilo geomeccanico di variante del fronte di scavo
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    Il profilo geomeccanico di variante del fronte di scavo
  • La sezione tipo C1 ETJ - analisi numeriche 3D - comportamento
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    La sezione tipo C1 ETJ - analisi numeriche 3D - comportamento
  • La sezione tipo C1 ETJ - analisi numeriche 3D - comportamento
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    La sezione tipo C1 ETJ - analisi numeriche 3D - comportamento
  • Lo schema funzionale rotoiniezione in avanzamento
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    Lo schema funzionale rotoiniezione in avanzamento
  • La velocità di penetrazione del fluido acqua in acqua per monitor ETJ a 300 bar
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    La velocità di penetrazione del fluido acqua in acqua per monitor ETJ a 300 bar
  • Lo schema del monitor ETJ
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    Lo schema del monitor ETJ
  • La conformazione del getto con monitor ETJM
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    La conformazione del getto con monitor ETJM
  • La conformazione del getto con monitor “tradizionale”
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    La conformazione del getto con monitor “tradizionale”
  • Il test di disgregazione con monitor ETJ e con monitor “tradizionale”
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    Il test di disgregazione con monitor ETJ e con monitor “tradizionale”
  • Le colonne in jet-grouting ottenute nel campo prova
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    Le colonne in jet-grouting ottenute nel campo prova
  • Le colonne in jet-grouting ottenute nel campo prova
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    Le colonne in jet-grouting ottenute nel campo prova
Caratteristiche generali e fasi esecutive

L’intervento per la galleria Cavallo prevede la realizzazione di un nuovo fornice in carreggiata Sud e l’allargamento dell’attuale galleria che, una volta allargata, sarà destinata al traffico in direzione Nord. Il progetto prevede l’impiego di una sezione composta da tre corsie aventi larghezza pari a 3,75 m (due corsie di marcia ed una di sorpasso), dalla banchina in destra e sinistra di 0,70 m, e da marciapiedi, su ambo i lati, di larghezza minima di 0,90 m. Ne deriva la necessità di realizzare la galleria con un diametro di scavo pari a circa 18 m e sezione massima di circa 218 m2.

L’inquadramento geologico e geotecnico

L’area risulta caratterizzata dalla presenza di litologie prevalentemente argilloso-limose appartenenti a depositi di Avanfossa adriatica. Lungo i fianchi dei rilievi collinari sono presenti abbondanti depositi colluviali appartenenti a successioni quaternarie costituiti da materiale argilloso-limoso-sabbioso.

Le gallerie naturali interessano interamente le argille; unicamente in corrispondenza dell’imbocco lato Rimini della canna Sud i primi campi di scavo attraversano anche i depositi eluvio-colluviali.

Le interferenze

Le interferenze presenti lungo la carreggiata Sud sono le seguenti: 

  • edificio 3, sito in prossimità della canna di variante, caratterizzato da una copertura di calotta nella zona in scavo pari a 23 m circa;
  • edificio 2, sito planimetricamente fra la canna in variante e quella di allargo, caratterizzato da una copertura di calotta nella zona in scavo pari a 28 m circa, e la sua dipendenza (edificio 1), prossima alla posizione planimetrica della canna in allargo.
Il Progetto Esecutivo

Il Progetto Esecutivo redatto dalla Società SPEA seguendo i principi dell’approccio ADECO-RS (P. Lunardi, 2006) era articolato, in sintesi, su due tipologie di sezioni tipo:

  • la B2, che prevede il rinforzo del nucleo-fronte mediante elementi strutturali in VTR;
  • le sezioni tipo C2a, C2b e C2c, che prevedono, oltre al trattamento del nucleo-fronte, il consolidamento al contorno del cavo sempre mediante elementi strutturali in vetroresina (VTR), in quest’ultimo caso valvolati, due vlv/m, ed iniettati con miscele cementizie.

Per le sezioni tipo C2a e C2b, da impiegarsi a basse coperture, in corrispondenza degli imbocchi, nei depositi sciolti e per le tratte di faglia, era inoltre previsto l’impiego di una coronella di tubi metallici in calotta, con campi di scavo rispettivamente pari a 6 e 9 m.

Gli interventi da piano campagna

Le analisi condotte dalla SPEA in sede di Progetto Esecutivo mostravano che l’insieme degli interventi di preconsolidamento e rivestimento della galleria non erano sufficienti a garantire il passaggio in corrispondenza dei fabbricati, senza che questi superassero la classe di danno 2. In corrispondenza di tali fabbricati erano previsti interventi di presidio effettuati da piano campagna.

Il progetto di variante e l’intervento

All’avvio dei lavori si è proceduto, come di consueto, alla sperimentazione della eseguibilità e della riuscita dei trattamenti previsti; i riscontri non sono stati del tutto positivi. Si è quindi analizzata la  possibilità di proporre una soluzione alternativa, in termini di consolidamento, allo scopo di sostituire i trattamenti da piano campagna e i consolidamenti al contorno delle sezioni tipo C.

Sempre seguendo i principi dell’approccio ADECO-RS, dopo un accurato studio di diagnosi che confermava condizioni d’avanzamento con nucleo-fronte instabile, in fase di terapia si è giunti alla proposta di variante, con l’introduzione di nuove sezioni tipo C1 ETJ, con consolidamenti al contorno mediante jet-grouting con monitor ad alta efficienza ETJ, invece delle cementizie attraverso VTR valvolati e conseguente taratura dei campi di applicazione delle sezioni tipo, e l’eliminazione delle opere di presidio degli edifici eseguite da piano campagna (jet-grouting), la cui funzione viene di fatto sostituita dall’applicazione, in corrispondenza delle zone di interferenza con gli edifici stessi, di sezioni tipo con jet-grouting ETJ in avanzamento, in grado di realizzare comunque una idonea protezione.

Le simulazioni tridimensionali nella zona del fronte di scavo hanno consentito la verifica dell’intervento di rinforzo del nucleo-fronte e la taratura dei rilasci parziali delle forze nell’ambito delle analisi bidimensionali, utilizzate in fase di terapia per le verifiche strutturali e l’analisi di danno sui fabbricati.

Il cedimento massimo per gli edifici 1 e 2 è risultato pari a circa 4 cm con un volume perso pari a circa l’1%. La valutazione del danno potenziale secondo Rankine (1988) ha mostrato, per gli edifici interessati, l’appartenenza al massimo alla classe di rischio 2 (danno leggero).

Durante la costruzione della galleria, il monitoraggio ha consentito di verificare le ipotesi progettuali e tarare localmente il progetto (cadenze di avanzamento e fasi esecutive).

I consolidamenti in jet grouting: tecnica della rotoiniezione con monitor ad alta efficienza ETJ

Come illustrato nei paragrafi precedenti, i problemi tecnologici da risolvere connessi alla realizzazione del consolidamento in avanzamento con jet-grouting erano, nel caso specifico, essenzialmente tre: 

  • a causa della presenza di edifici si doveva individuare una modalità esecutiva tale da consentire il controllo e la minimizzazione dei sollevamenti del suolo causati dalle sovrappressioni del jet; 
  • la formazione di cavità nel terreno a fine trattamento; 
  • difficoltà a ottenere un diametro delle colonne di almeno 60 cm in terreni coesivi molto consistenti e con le resistenze UCS previste.

In definitiva, la chiave di volta per realizzare un consolidamento di caratteristiche tali da soddisfare le esigenze progettuali: di rendere superfluo il ricorso a trattamenti da piano campagna, in corrispondenza dei fabbricati, di garantire nello stesso tempo la stabilità dello scavo a basse coperture e un avanzamento più veloce, oltre che più sicuro, è stata l’adozione della tecnica jet-grouting con impiego di monitor ad alta efficienza ETJ.

Il jet-grouting in avanzamento

Questa tecnica di esecuzione del jet-grouting prevede l’impiego di una attrezzatura di perforazione (posizionatore) dotata di mast con doppia rotary, azionante una doppia batteria di perforazione (aste jet/rivestimento) contro-rotante.

Le aste interne sono costituite dalla batteria jetting, attrezzata (nel caso specifico) con monitor autoperforante ad alta efficienza ETJ. Il tubo di rivestimento al termine del trattamento viene lasciato in opera come armatura definitiva e va dimensionato in funzione del diametro delle aste jet.

La posizione della batteria interna (aste jet) può essere regolata in modo da poter fuoriuscire o meno rispetto al casing esterno. Durante il trattamento, lo spurgo del materiale viene convogliato nello spazio anulare fra le aste e il tubo di rivestimento, in modo da verificarne e controllarne la continuità di flusso e impedire lo svuotamento della colonna al termine del trattamento.

Tra i vantaggi della metodologia si sottolinea la possibilità di controllare efficacemente lo spurgo.

Questo, infatti, fluendo entro lo spazio anulare tra aste e rivestimento non è più soggetto a interruzioni e blocchi, dato che si trova un canale di flusso sempre aperto ed è inoltre favorito dalla contro-rotazione delle aste.

La tecnologia jet-grouting con sistema ETJ in funzione della litologia dei terreni interessati

La geologia in cui si sviluppa la galleria Cavallo è costituita, come detto, da litotipi prevalentemente argillosi e limosi, con intercalazioni sabbiose ad elevata coesione. I sondaggi condotti dalla superficie hanno consentito di verificare che questi terreni coesivi sono caratterizzati da elevati valori di resistenza al taglio, in condizioni non drenate, crescenti al variare della copertura, con valori di Cu compresi tra 200 e 350 kPa. In considerazione dell’elevata consistenza del terreno da trattare, è stato previsto l’impiego di un sistema jet-grouting monofluido “ottimizzato” dal punto di vista energetico denominato ETJ (Enhanced Trevi Jet). Questa tecnologia utilizza una serie di dispositivi particolarmente studiati per conservare l’energia del fluido iniettato ad altissima velocità e concentrare la forma del getto stesso dopo l’uscita dall’ugello. In questo modo è possibile aumentarne il potere disgregante a parità di energia impiegata.