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Innovazioni e contributi scientifici
Non poteva mancare, all’interno delle opere scelte, un ambito che a Lombardi è sempre stato molto a cuore; ovvero la voglia di capire e di riuscire a spiegare scientificamente i fenomeni che si presentano nella pratica professionale.
Presentiamo in questa sezione i tre contributi fondamentali che fanno di Lombardi una figura di riferimento nel campo della geo-ingegneria a livello internazionale: il metodo convergenza-confinamento, sviluppato a partire dagli anni Settanta, che permette la risoluzione del problema dell’interazione tra rivestimento di un’opera sotterranea e ammasso roccioso in cui essa è realizzata; il modello FES sviluppato nel 1978 nell’ambito dell’incarico per spiegare le cause dei problemi riscontrati sulla diga di Zeuzier in Vallese, durante lo scavo di una galleria nei pressi dell’opera; il concetto GIN sviluppato negli anni Ottanta per l’ottimizzazione del processo di iniezione degli ammassi rocciosi. (GB, AP)
Metodo convergenza-confinamento
La costruzione di opere sotterranee si è basata per molti secoli su semplici metodi empirici senza alcun approccio scientifico, a causa della complessità del problema stesso. Ad esempio, in un libro pubblicato nell’anno 1953 negli Stati Uniti si poteva addirittura leggere quanto segue: «non esiste alcun metodo razionale per dimensionare il rivestimento di una galleria e quindi lo stesso deve essere progettato con uno spessore che sia di un pollice per ogni piede di diametro della galleria».
Il contributo dello studio Lombardi allo sviluppo di un approccio scientifico a tali temi arrivò agli inizi degli anni Settanta, con il cosiddetto metodo delle linee caratteristiche, che permette la risoluzione del problema dell’interazione tra rivestimento di un’opera sotterranea e ammasso roccioso in cui essa è realizzata. In estrema sintesi, il metodo, tenendo conto della deformabilità sia dell’ammasso roccioso che del rivestimento o in generale dei supporti posti in opera, permette di determinare il carico gravante su questi ultimi, imponendo la compatibilità tra la deformazione dell’ammasso che tende a chiudersi a seguito dello scavo e quella del rivestimento che si oppone a tale movimento. Nel metodo gioca poi un ruolo fondamentale la quantità di deformazione dell’ammasso roccioso che si sviluppa prima che il rivestimento sia installato e che sia diventato staticamente attivo, tema a cui non veniva dato grande risalto nella letteratura dell’epoca.
L’approccio pratico e razionale, che sempre ha contraddistinto l’operato di Lombardi, ha quindi permesso di valutare in maniera precisa i carichi effettivamente gravanti sui rivestimenti delle cavità sotterranee, con indiscutibili vantaggi in termini di sicurezza ed economicità di realizzazione. L’importante innovazione introdotta da Lombardi permise così di liberare la progettazione delle opere sotterranee dalle nebbie dell’empirismo.
GIN «Grouting Intensity Number»
Il concetto GIN è un approccio autoregolante per eseguire iniezioni in roccia, che permette di ottimizzare il processo di iniezione. In particolare consente: 1) di iniettare solamente dove è strettamente necessario permettendo di prevenire sprechi; 2) di iniettare con la massima pressione ammissibile senza causare danni, con lo scopo di aumentare l’efficienza e migliorare il risultato degli interventi di iniezione in roccia.
Questo concetto è stato introdotto più di 30 anni fa dall’ingegnere Lombardi con lo scopo di evitare rotture nell’ammasso roccioso fessurato, migliorando l’efficacia e l’efficienza delle iniezioni in roccia.
I tre parametri fondamentali del concetto GIN sono il coefficiente d’intensità (Grouting Intensity Number) dell’iniezione, la pressione massima e il volume massimo (target). Il valore GIN è il prodotto di P, la pressione d’iniezione, e V, il volume cumulativo.
Il prodotto P rimane costante, indipendentemente dallo spessore della fessura. Questo valore definisce quindi l’intensità d’iniezione, il cosiddetto Grouting Intensity Number (GIN), e si misura in dimensione energetica (unità: Joule). Semplificando, questo significa che, per riempire una fessura molto sottile, serve poco materiale ma una pressione relativamente alta, mentre, per intervenire su una fessura più ampia, la pressione deve essere diminuita ma serve più materiale.
Questo approccio permette di evitare combinazioni di alte pressioni e volumi elevati, che possono portare a rotture dell’ammasso roccioso e/o al rischio dell’innalzamento della superficie.
Dalla sua scoperta a oggi, il concetto GIN si è dimostrato e si dimostra tuttora uno strumento affidabile per gestire in modo efficace i processi di iniezione in roccia in numerosi progetti in tutto il mondo caratterizzati da una notevole varietà di condizioni. Grazie alle sue solide basi fisiche, la sua generalità e la sua semplicità, il concetto GIN mostra chiaramente che l’iniezione in roccia è, o può essere, un’operazione trasparente, efficiente e facilmente controllabile.
FES «Fissured, Elastic, Saturated rock mass»
Nell’autunno del 1978, dopo 21 anni di esercizio perfettamente regolare, la diga ad arco Zeuzier, di 156 m di altezza, cominciò inaspettatamente a mostrare un comportamento anomalo. In un anno, i cedimenti in questa zona avevano raggiunto i 9 cm, la valle era divenuta più stretta di 5 cm e la parte centrale del coronamento si era spostata di 6 cm a monte. Queste deformazioni causarono una fessura orizzontale sul paramento di valle con un’apertura fino a 15 mm.
Dopo approfondite ricerche sulle cause venne appurato che la ragione di questi movimenti era dovuta allo scavo in corso della galleria del Rawyl, finalizzata al collegamento stradale tra il Vallese e il Canton Berna, che raccoglieva fino a 1000 l/s di acqua d’infiltrazione e causava il drenaggio di un importante acquifero. L’analisi del problema ha presentato l’opportunità di sviluppare il modello FES, che accoppia opportunamente l’equilibrio idraulico e l’equilibrio meccanico dell’ammasso roccioso fessurato e la loro evoluzione nel tempo. Il drenaggio porta a una chiusura parziale delle discontinuità, che cumulativamente si riflette in un assestamento del massiccio.
La sua applicazione ha permesso l’interpretazione e la corretta simulazione numerica dell’evento e di stabilire le basi per la realizzazione dei lavori di riparazione della diga. Negli anni 1982-1983 venne eseguito un esteso intervento di riparazione comprendente iniezioni del contatto fra calcestruzzo e roccia, dei giunti e delle fessure. Da allora la diga di Zeuzier è regolarmente in esercizio, sebbene i cedimenti proseguano nel lungo termine conformemente a quanto previsto dalla modellazione FES.
Nel frattempo il modello FES è stato sviluppato ulteriormente e ha costituito la base per la valutazione delle deformazioni superficiali indotte dallo scavo della galleria di base del San Gottardo sulle dighe sovrastanti. Presso la diga di Nalps la valle si è chiusa di circa 2 cm, mentre alla diga di S. Maria è stata misurata un’apertura di 1 cm alla quota del coronamento. Si conferma quindi che le opere sotterranee profonde conducono a variazioni della falda su larga scala, sia durante sia dopo le fasi di costruzione, che a seconda delle condizioni geologiche e idrogeologiche dell’ammasso roccioso provocano deformazioni più o meno rilevanti in superficie.