Come fa un tunnel a non crollare? L’ingegneria dietro le gallerie

In territori a sviluppo prevalentemente montuoso le infrastrutture stradali e ferroviarie sono spesso realizzate tramite la costruzione di opere di ingegneria capaci di "trapassare" le montagne e permettere la continuità del flusso stradale. Stiamo parlando delle gallerie, o tunnel, cioè vere e proprie opere di ingegneria capaci di sorreggere le montagne sopra di esse e evitare che queste stesse franino al loro interno, consentendo dunque la fruibilità del passaggio stradale o ferroviario e garantendo solitamente un risparmio di tempo (oltre che una minimizzazione dell'inquinamento ambientale) nel raggiungimento di una precisa destinazione. Ma come fanno a non collassare? La risposta è legata sia al cosiddetto effetto arco, che all'adozione di alcune soluzioni ingegneristiche, tra cui centine, rivestimenti e consolidamento del terreno.

La stabilità del fronte di scavo

Dobbiamo pensare ad un tunnel come un foro (più o meno grande) all'interno di un oggetto dotato di peso – nel nostro caso l'ammasso di terreno. In assenza del vuoto, il peso del terreno viene trasmesso agli strati profondi (quindi verso il basso) con continuità, contando sulla presenza del materiale presente, che ha anche la capacità di sopportare questa colonna di materiale che grava su di esso.

Nel momento in cui si va ad effettuare un vuoto, il peso della parte di terreno sovrastante il foro non trova più il sostegno inferiore e deve quindi trovare un modo alternativo di andare verso il basso, cioè di essere trasferito negli strati profondi di terreno. Se questo non si verifica si può assistere al crollo della parte di terreno priva di un sostegno. In aggiunta al peso del terreno sovrastante il tunnel, possono esserci altre forze che gravano sulle condizioni di sicurezza. In particolare, potrebbero esserci dei carichi che rappresentano il peso degli edifici realizzati in superficie in un periodo precedente a quello della realizzazione del foro. Altre forze potrebbero entrare in gioco, ma nella sostanza il concetto esposto non cambia: potremmo considerare tutti questi carichi alla stregua di un terreno a superficie libera, ma con un foro più profondo del precedente.

Queste azioni vengono contrastate dalla resistenza meccanica del terreno. Esistono delle equazioni che, a seconda del tipo di terreno in cui si effettua il foro, forniscono quello che gli ingegneri geotecnici chiamano fattore di stabilità: quando questo fattore supera un certo valore, la condizione di crollo è certa e il tunnel necessita di un qualche sostegno intermedio già durante la fase di scavo per garantire sicurezza. Possono esistere quindi delle condizioni per cui il foro risulta stabile anche solo grazie alle proprie caratteristiche meccaniche. In parte, questo è anche dovuto alla forma curva che si da al foro, che consente di sfruttare l'effetto arco per trasmettere le azioni dagli strati superficiali a quelli profondi.

Tecniche di sostegno

Come anticipato, non sempre ci si trova dinanzi a terreni che si riescono ad auto-sostenere. Pertanto, diventa necessario avere dei metodi alternativi che permettano di sopperire alle problematiche di resistenza per realizzare il tunnel in sicurezza. Il progetto del sistema di sostegno avviene mediante la stima della forza che è necessario applicare dall'interno del foro per garantire sicurezza. Ci sono diversi metodi e tecniche costruttive che garantiscono il sostegno del fronte di scavo. Di seguito se ne illustrano le principali.

Utilizzo delle centine

La struttura del foro può essere mantenuta stabile grazie all'utilizzo delle centine, che rappresentano delle vere e proprie strutture di sostegno prefabbricate. Solitamente, sono costruite in acciaio e seguono lo sviluppo geometrico del foro. Vengono posizionate ad intervalli regolari e realizzano un vero e proprio scheletro di sostegno attorno al foro.

Rivestimenti

I rivestimenti possono essere di vario tipo. Possiamo avere a che fare con veri e propri conci in calcestruzzo prefabbricato, posizionati ad hoc lungo la calotta a mano a mano che si avanza con lo scavo. In altri casi, si può artificialmente creare in sito un rivestimento. Questo avviene in due fasi: dapprima si posiziona una rete di acciaio o fibre di acciaio, successivamente si spruzza calcestruzzo su tutta la calotta. Questa tecnica è nota come Spritz-Beton. Se il rivestimento non assolve, da solo, alla condizione di stabilità, allora le centine possono essere utilizzate per migliorare le sue prestazioni.

Consolidamento del terreno

In alcuni casi, può essere utile "dopare" il terreno nell'intorno del foro per garantire allo stesso elevate prestazioni meccaniche: aumentando artificialmente le caratteristiche meccaniche del terreno, si induce una stabilità della cavità per consentire in maniera sicura le lavorazioni. Questo avviene tramite iniezione di cemento diffuse su tutta la calotta o, in altri casi, addirittura utilizzando delle tecniche di congelamento dell'acqua presente nel terreno. Eh si, perché quando l'equilibrio del terreno è turbato, l'acqua presente vuole allontanarsi dalla posizione iniziale. Questo genera un riassetto della matrice degli elementi solidi, eventualmente con una configurazione non più capace di reggere le forze applicate. Se l'acqua però viene congelata, non può muoversi e nel breve termine mantiene la sua posizione a prescindere dagli effetti prodotti dalla realizzazione del foro.

Rivestimenti definitivi

I rivestimenti che siamo abituati a vedere quando attraversiamo una galleria sono detti di seconda fase, o definitivi. Possono raggiungere spessori anche del metro se le profondità della galleria diventano importanti, oppure se le condizioni meccaniche del complesso sono particolarmente scadenti.

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