Installation-Delay Effects on Passive-Bolt Anchorage in Squeezing Railway Tunnels: An Analytical Framework for Support Transition and Cost Optimization

Profondamente sotto la terra, dove le masse rocciose sono fratturate e sottoposte a una pressione immensa, la costruzione di un tunnel è una delicata negoziazione tra l'ingegneria umana e la forza geologica. Quando gli ingegneri scavano attraverso terreni di questo tipo, definiti "schiaccianti" (squeezing ground), la roccia non resta semplicemente immobile; essa si deforma lentamente verso l'interno, cercando di chiudere lo spazio creato dallo scavo. Per mantenere aperto il tunnel, i costruttori si affidano a un sistema di supporto immediato, che solitamente prevede strati di calcestruzzo spruzzato e bulloni d'acciaio perforati nella roccia per tenerla insieme. Una sfida fondamentale in questo lavoro è la tempistica. Nel momento in cui la faccia del tunnel viene esposta, la roccia inizia a rilassarsi e a muoversi. Se il sistema di supporto non viene installato istantaneamente, la roccia si muove ulteriormente prima che i bulloni e il calcestruzzo possano fare presa. Questo ritardo cambia il modo in cui il sistema di supporto si comporta, spesso in modi che i calcoli standard non riescono a prevedere. Gli ingegneri devono sapere esattamente quando un semplice sistema di bulloni corti e calcestruzzo fallirà e quando devono passare a un sistema di ancoraggio più robusto e profondo per prevenire il crollo, il tutto mantenendo la sostenibilità finanziaria del progetto.

In un nuovo studio, i ricercatori hanno sviluppato un quadro pratico per rispondere a queste domande per i tunnel ferroviari ad alta velocità, esaminando specificamente come i ritardi di installazione influenzino le prestazioni dei bulloni passivi per roccia. Il team ha combinato un noto metodo analitico per prevedere il movimento del terreno con un modello economico dettagliato per simulare cosa accade quando il supporto non viene applicato immediatamente. Si sono concentrati su uno scenario in cui la qualità della roccia è scarsa e il tunnel è profondo, condizioni comuni nelle regioni tettonicamente attive del Vietnam, dove è in fase di pianificazione una nuova linea ferroviaria ad alta velocità nord-sud. I ricercatori volevano vedere se l'approccio standard — l'uso di bulloni corti e uno strato di calcestruzzo proiettato (shotcrete) — potesse sopravvivere al movimento extra causato dai ritardi di costruzione, o se la roccia si sarebbe mossa così tanto da far sì che i bulloni venissero semplicemente estratti dal terreno prima di poter svolgere il loro compito.

Lo studio rivela che la tempistica della costruzione è critica quanto la resistenza dei materiali. Nelle loro simulazioni, i ricerci hanno scoperto che man mano che la qualità della roccia peggiora, la zona di roccia fratturata e instabile attorno al tunnel si espande rapidamente. Per i bulloni da 3,95 metri utilizzati nel loro modello di base, esiste un punto di svolta specifico. Quando la qualità della roccia scende al di sotto di una certa valutazione, la zona fratturata cresce così tanto da inghiottire l'intera lunghezza del bullone che dovrebbe essere ancorata nella roccia solida. Una volta accaduto ciò, il bullone perde la sua presa e non può più tenere insieme il tunnel, indipendentemente da quanto sia resistente il rivestimento in calcestruzzo. I ricercatori hanno identificato questa pericolosa zona di transizione quando la valutazione della massa rocciosa cade tra 48,2 e 50,1. In questa stretta fascia, il ritardo nell'installazione del supporto causa un movimento della roccia tale da rendere inutili i normali bulloni corti, imponendo il passaggio a una strategia diversa.

Per comprendere l'impatto finanziario di questo fallimento meccanico, il team ha creato un modello di costo normalizzato che elimina le fluttuazioni valutarie e l'inflazione per confrontare il vero costo delle risorse delle diverse strategie di supporto. Hanno testato uno scenario severo in cui la qualità della roccia era molto scarsa, con una valutazione di 35. In questa situazione, i normali bulloni corti sono falliti completamente perché la zona di roccia fratturata era troppo profonda. Semplicemente aggiungere più bulloni corti o rendere più spesso il calcestruzzo non risolveva il problema, poiché tali misure non raggiungevano abbastanza in profondità nella roccia stabile per fornire un ancoraggio sicuro. L'unica soluzione che ha funzionato nella simulazione è stata il passaggio a ancoraggi a cavo profondi e precompressi. L'ottimo matematico per questo ancoraggio profondo era una lunghezza di 9,61 metri. Tuttavia, poiché la costruzione richiede numeri interi pratici e tiene conto dello spreco di materiale, i ricercatori hanno calcolato che un tendine a cavo standard da 10 metri sarebbe la soluzione pronta per il campo. Questo aggiustamento ha portato il costo stimato a 3.105,4 unità di costo per metro di tunnel, una cifra che rappresenta il modo più efficiente per mettere in sicurezza il tunnel in queste difficili condizioni senza sprecare fondi in misure inefficaci.

I ricercatori hanno validato il loro approccio confrontando i risultati con dati reali del Tunnel Gemello di Driskos in Grecia, un sito noto per il suo terreno schiacciante severo e la scarsa qualità della roccia. In quel tunnel, gli ingegneri hanno dovuto installare lunghi cavi tensionati perché i bulloni corti e il calcestruzzo iniziali erano insufficienti a fermare la deformazione. Il nuovo modello ha riprodotto con successo la tendenza generale del movimento del terreno osservata in Grecia, prevedendo una deformazione finale del tunnel che rientrava nell'8,2 percento delle misurazioni effettive registrate lì. Questa stretta corrispondenza suggerisce che il framework è affidabile per prevedere quando un sistema di supporto fallirà a causa dei ritardi di installazione. Lo studio conferma che, in terreni poveri, attendere anche poco tempo per installare il supporto può spingere la roccia oltre il punto in cui i bulloni corti possono reggere, rendendo necessario il passaggio a un ancoraggio profondo, più costoso ma necessario.

In definitiva, questo lavoro fornisce uno strumento agli ingegneri per prendere decisioni migliori durante la fase iniziale di progettazione di grandi tunnel. Esso va oltre l'assunto che tutte le parti di un sistema di supporto lavorino perfettamente insieme dal momento della loro installazione. Al contrario, riconosce che nel mondo reale i ritardi avvengono, e che tali ritardi possono cambiare interamente la fisica del problema. Identificando le specifiche soglie di qualità della roccia in cui i bulloni corti falliscono, lo studio aiuta gli ingegneri a pianificare il tipo di supporto corretto prima dell'inizio della costruzione. Ciò evita l'errore costoso di costruire un tunnel con un sistema che appare adeguato sulla carta ma che fallisce nella pratica perché la roccia si è mossa troppo prima che i bulloni potessero agire. Le conclusioni suggeriscono che, per i tunnel in terreni schiaccianti, la chiave per la sicurezza e l'efficienza dei costi risiede nel riconoscere quando la roccia è troppo fratturata per soluzioni semplici e nell'avere la lungimiranza di utilizzare sistemi di ancoraggio più profondi e attivi.