Gallerie e Acqua: Domare le Forze Sotterranee nel Caso Studio del Tunnel Dejiang

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante, un po’ tecnico ma spero di renderlo avvincente, nel cuore della terra, o meglio, nel cuore dei problemi che affrontiamo quando decidiamo di scavarci attraverso. Parleremo di tunnel, ma non tunnel qualsiasi: quelli che attraversano regioni carsiche, ricche d’acqua e sottoposte a pressioni che definire “elevate” è un eufemismo. Immaginate di dover costruire un’autostrada sotterranea in un posto dove la roccia sembra una spugna gigante pronta a strizzarvi addosso tonnellate d’acqua. Non è proprio una passeggiata, vero?

Le Sfide Acquatiche dei Tunnel Carsici

Quando si progetta un tunnel in queste condizioni, il tema dell’impermeabilizzazione e del drenaggio diventa cruciale. Se gestiamo male le acque sotterranee, rischiamo non solo di danneggiare l’ambiente circostante, ma anche di compromettere la sicurezza strutturale del tunnel stesso. Pensateci: un’infiltrazione continua può erodere, indebolire, e nel peggiore dei casi, portare a collassi. E non parliamo solo di qualche gocciolina: in passato, gallerie come quella di Motianling o il tunnel sotto il fiume Yangtze a Wuhan hanno affrontato disastri geologici imponenti, con irruzioni d’acqua massicce. Addirittura, si stima che circa l’80% dei tunnel ferroviari costruiti in Cina prima del 1992 abbia avuto problemi di questo tipo! Incidenti come l’irruzione di fango nel tunnel di Taoshuping nel 2014, con nove operai deceduti, o quella nel tunnel di Shijingshan nel 2021, che ha causato la morte di 14 persone, ci ricordano brutalmente quanto sia seria la questione.

Tradizionalmente, ci sono due approcci principali: o si drena completamente l’acqua (strategia completamente drenata) o si cerca di sigillare tutto ermeticamente (strategia completamente impermeabilizzata). Entrambe, però, hanno i loro contro. Drenare tutto significa spesso alterare pesantemente l’equilibrio idrico della zona, con un impatto ecologico non trascurabile. Sigillare tutto, d’altro canto, vuol dire che la struttura del tunnel deve sopportare l’intera pressione dell’acqua, il che può essere un bel problema, soprattutto in profondità.

Una Terza Via: Impermeabilizzare con Giudizio (e un po’ di Drenaggio)

Ed è qui che entra in gioco una strategia più furba, quella che potremmo definire “principalmente impermeabilizzata con drenaggio limitato”. L’idea è semplice: cerchiamo di bloccare la maggior parte dell’acqua, ma permettiamo a una quantità controllata di defluire. È un po’ come cercare il giusto equilibrio, no? Questo approccio è stato al centro di uno studio molto interessante che ha preso come caso pratico il Tunnel Dejiang, una galleria stradale situata in una zona montuosa e, ovviamente, carsica e ricca d’acqua, nella provincia di Guizhou, in Cina.

Il Tunnel Dejiang non è un lavoretto da poco: parliamo di oltre 5 km di lunghezza per canna, con una profondità massima di copertura che supera i 530 metri. Immaginate la pressione dell’acqua a quelle profondità! Durante la sua costruzione, durata ben 65 mesi (di cui 44 solo per attraversare la sezione acquifera), ci sono stati numerosi episodi di irruzioni d’acqua e fango. Un esempio? Il 22 dicembre 2017, durante una perforazione esplorativa, si è verificata un’irruzione con una pressione idrostatica misurata sul posto di 2.0 MPa, tanto da rompere un tubo d’acciaio di 200 mm di diametro! In un altro episodio, nel giugno 2019, a seguito di forti piogge, un tubo di riempimento precedentemente trattato è stato letteralmente sfondato dalla pressione, con un picco di afflusso d’acqua stimato in 14.920 m³/ora. Avete letto bene, quasi quindicimila metri cubi d’acqua all’ora! La costruzione è stata interrotta per sei mesi a causa di questi problemi.

Simulazioni al Computer per Trovare la Soluzione Migliore

Per capire quale fosse la strategia di drenaggio ottimale per il Tunnel Dejiang, i ricercatori hanno utilizzato un potente software di simulazione numerica chiamato FLAC3D. Hanno modellato il tunnel e l’ambiente circostante, applicando le tre diverse strategie di drenaggio:

• Completamente drenata
• Completamente impermeabilizzata
• Principalmente impermeabilizzata con drenaggio limitato

L’obiettivo era osservare come cambiassero i campi di filtrazione dell’acqua, gli spostamenti della roccia e le sollecitazioni sulla struttura di rivestimento del tunnel in ciascuno scenario. Hanno anche considerato l’effetto del cosiddetto “anello di iniezione” (grouting ring), uno strato di materiale cementizio iniettato attorno al tunnel per ridurne la permeabilità e rinforzare la roccia. La sua efficacia dipende molto dal suo spessore e dalla sua permeabilità residua.

Cosa Hanno Scoperto i Ricercatori?

I risultati delle simulazioni sono stati illuminanti.
Con la strategia completamente drenata, la pressione dell’acqua sul rivestimento del tunnel è minima, quasi zero. Bello, no? Peccato che questo comporti un enorme prelievo di acque sotterranee, creando un “cono di depressione” attorno al tunnel e mettendo a rischio le risorse idriche locali. Inoltre, la perdita d’acqua può lavare via il materiale di riempimento nelle fessure della roccia, aumentando la permeabilità e potenzialmente causando cedimenti. Decisamente non l’ideale per aree ecologicamente sensibili o tunnel molto profondi.

Passando alla strategia completamente impermeabilizzata, la situazione si ribalta. L’acqua sotterranea non viene drenata, quindi il rivestimento del tunnel deve sopportare l’intera pressione idrostatica. Questo significa che bisogna costruire un rivestimento molto più robusto e spesso, il che aumenta i costi e i tempi di costruzione. E anche così, il rischio di perdite in punti deboli rimane alto. Le simulazioni hanno mostrato che, in questo scenario, variare lo spessore o la permeabilità dell’anello di iniezione non cambiava significativamente la pressione sul rivestimento: l’acqua c’è e spinge!

E la nostra strategia “ibrida”, principalmente impermeabilizzata con drenaggio limitato? Bingo! Questa si è rivelata la più equilibrata. L’idea è di usare l’iniezione di materiale cementizio (grouting) per ridurre la permeabilità della roccia circostante e quindi il flusso d’acqua verso il tunnel. Questo “impermeabilizzare” rinforza anche la roccia. Poi, un sistema di drenaggio limitato raccoglie l’acqua residua che riesce a passare, riducendo la pressione sul rivestimento senza però prosciugare le falde.

I ricercatori hanno scoperto che il coefficiente di permeabilità e lo spessore dell’anello di iniezione sono fondamentali. Riducendo la permeabilità dell’anello di iniezione, si riduce efficacemente la pressione dell’acqua sul rivestimento. Ad esempio, passando da una permeabilità di 1.3 × 10⁻⁶ cm/s a 1.3 × 10⁻⁷ cm/s, la pressione sul rivestimento si è ridotta significativamente, anche di 0.7 MPa. Per quanto riguarda lo spessore, si è visto che aumentarlo oltre un certo limite (ad esempio, da 6 a 8 metri, con una permeabilità dell’anello già bassa) non portava benefici significativi in termini di riduzione della pressione, ma aumentava solo i costi. Per il Tunnel Dejiang, si è concluso che un anello di iniezione con una permeabilità di 1.3 × 10⁻⁷ cm/s e uno spessore tra i 4 e i 6 metri fosse la combinazione più economica ed efficace.

Applicazione Pratica e Monitoraggio nel Tunnel Dejiang

Sulla base di questi studi, nel Tunnel Dejiang è stata implementata proprio la strategia “principalmente impermeabilizzata con drenaggio limitato”. Questo ha comportato la costruzione di un sistema di controllo delle irruzioni d’acqua che includeva tecnologie di costruzione di tunnel di drenaggio, separazione di caverne adiacenti, pianificazione di sistemi anti-drenaggio interni ed esterni al tunnel, un sistema di allerta esterno e un monitoraggio idrologico continuo.
I dati di monitoraggio raccolti in cantiere, ad esempio sulla pressione di contatto tra il supporto primario e il rivestimento secondario in sezioni critiche come la ZK9+940, hanno confermato la bontà della scelta. Dopo l’implementazione delle misure correttive basate su questa strategia, le pressioni si sono stabilizzate, e i fenomeni di irruzione d’acqua sono stati gestiti con maggiore efficacia. Ad esempio, dopo un periodo di fluttuazioni e un piccolo evento di venuta d’acqua nel giugno 2022, le misure adottate hanno portato a una riduzione della pressione di contatto sulla spalla dell’arco e a una stabilizzazione generale, dimostrando che il metodo di trattamento aveva dato buoni frutti.

Cosa ci insegna questa storia?

Beh, la prima cosa è che costruire tunnel in ambienti carsici ad alta pressione d’acqua è una sfida ingegneristica enorme, ma non insormontabile. La strategia “principalmente impermeabilizzata con drenaggio limitato” sembra offrire il miglior compromesso tra sicurezza strutturale, protezione delle risorse idriche e sostenibilità economica. Non si tratta solo di “tappare i buchi” o “far scorrere via tutto”, ma di gestire l’acqua in modo intelligente.
Questo studio sul Tunnel Dejiang fornisce indicazioni preziose non solo per la progettazione e la costruzione di nuovi tunnel in condizioni simili, ma anche per le misure di intervento su tunnel esistenti che presentano problemi di infiltrazione. È un esempio di come la ricerca, la simulazione numerica e l’applicazione pratica possano andare a braccetto per risolvere problemi complessi e rendere le nostre infrastrutture più sicure e rispettose dell’ambiente. E, se devo dirla tutta, è anche piuttosto affascinante vedere come riusciamo a “dialogare” con la montagna per trovare il modo migliore di attraversarla!

Fonte: Springer