La realizzazione in sotterraneo di opere civili rappresenta una soluzione valida e sostenibile sia dal punto di vista ingegneristico che da quello ambientale, sia in area urbana che extraurbana. Inoltre, il rapido sviluppo tecnologico delle Tunnel Boring Machine, ha reso progressivamente più vantaggioso l'utilizzo di queste macchine per l'esecuzione degli scavi. Gli strumenti attuali di progettazione di queste opere, tuttavia, risentono di un marcato empirismo e di una eccessiva semplificazione.
Il progetto di ricerca proposto si inquadra all'interno di uno studio più ampio che ha come obiettivo lo sviluppo di metodi di calcolo robusti per la stima delle sollecitazioni sul rivestimento, necessarie per una corretta progettazione strutturale. Dato l'orizzonte temporale limitato disponibile per il completamento della ricerca proposta in questa sede, saranno approfonditi due aspetti specifici del problema di interazione macchina-terreno-rivestimento investigando: i) le forze di contatto tra lo scudo della macchina e il terreno circostante; ii) le sollecitazioni indotte sul rivestimento della galleria.
Lo studio sarà condotto mediante la simulazione numerica 3D dello scavo meccanizzato e potrà giovarsi di un modello numerico avanzato, in linea con i più sofisticati prodotti della ricerca in questo campo, già sviluppato dal proponente e la cui bontà è testimoniata dalla recente pubblicazione dei primi risultati ottenuti.
Lo studio delle forze di contatto tra scudo e terreno permetterà di quantificare la spinta necessaria all'avanzamento della macchina, elemento progettuale di fondamentale importanza per evitare il bloccaggio. L'analisi delle sollecitazioni indotte verrà svolta mediante una serie di analisi parametriche al variare della geometria della macchina al fine di valutare lo stato di sforzo del rivestimento, la cui valutazione è estremamente importante nel caso di gallerie profonde, per le quali può raggiungere valori elevati.
Allo stato attuale sono disponibili nella letteratura tecnica e scientifica numerosi approcci per valutare le variazioni dello stato tensionale e deformativo nel terreno indotte dallo scavo della galleria e numerosi metodi di progettazione delle gallerie, di tipo sia analitico sia numerico. Per quanto riguarda i metodi analitici, essi risultano senza dubbio utili per delle stime preliminari, ma non possono tenere in considerazione la varietà dei processi tecnologici e costruttivi dai cui dipende fortemente la risposta meccanica del sistema terreno-galleria. I metodi di progettazione più diffusi, quindi, sono metodi numerici. Le analisi numeriche tridimensionali, le uniche in grado di riprodurre efficacemente le modalità costruttive con cui si realizza la galleria, sono tuttavia gravate da una significativa complessità. Conseguentemente, i metodi tipicamente utilizzati sono basati su analisi bidimensionali, che utilizzano diverse ipotesi semplificative per tenere in considerazione in maniera approssimata gli effetti tridimensionali che caratterizzano il problema.
Per quanto riguarda la modellazione del comportamento meccanico dei terreni, invece, sono ancora largamente diffusi modelli costitutivi molto semplici, quali quello di mezzo elastico perfettamente plastico, in grado di cogliere solo alcuni aspetti del comportamento meccanico dei terreni naturali. Inoltre, la disponibilità di dati relativi a casi reali è ancora molto limitata, sia per quanto riguarda le sollecitazioni indotte nei conci del rivestimento della galleria, sia per quanto riguarda la generazione e la successiva dissipazione di sovrappressioni interstiziali a seguito dello scavo.
Le ragioni appena illustrate evidenziano come lo sviluppo di nuove, più affidabili e più avanzate, metodologie progettuali sia fortemente auspicabile. Per contribuire al raggiungimento di questo obiettivo di lungo termine, la ricerca proposta si focalizza su alcuni aspetti specifici, la cui analisi potrà essere completata nell'orizzonte temporale limitato a disposizione per lo studio. In particolare, saranno oggetto di indagine i) le forze di contatto che si sviluppano tra lo scudo della macchina ed il terreno circostante e ii) i meccanismi di interazione terreno-rivestimento al variare della geometria della macchina.
La ricerca proposta potrà giovarsi dell'utilizzo di un modello numerico già sviluppato che si colloca sulla frontiera dei più avanzati prodotti della ricerca in questo settore, come testimoniato dalla recente pubblicazione dei primi risultati ottenuti. I principali elementi innovativi sono costituiti dalle modalità di simulazione del processo di scavo e costruzione della galleria. Il modello messo a punto, infatti, è in grado di descrivere con significativa accuratezza, in particolar modo geometrica, le caratteristiche distintive di questo particolare problema al finito. In particolare, sono simulati con grande accuratezza l'applicazione della pressione al fronte, la geometria della macchina (inclusi il sovrascavo della testa fresante e la conicità dello scudo), il vuoto anulare a tergo dello scudo, il grouting e l'indurimento della malta nel tempo. Il modello numerico, inoltre, risolve il problema evidenziato da Kavvadas et al. (2017) relativo alle non-linearità geometriche, grazie ad una procedura numerica in grado di risolvere gli errori nell'identificazione dell'effettivo profilo di scavo (de Lillis et al., 2018).
Il modello sarà utilizzato per studiare i processi di interazione che si sviluppano tra lo scudo della macchina, il terreno ed il rivestimento. Tali processi sono stati già oggetto di indagine e sono disponibili in letteratura numerosi studi che tuttavia sono spesso fondati sui risultati di modelli fortemente approssimati, non in grado di descrivere con la dovuta accuratezza la complessità del problema in esame. La ricerca proposta, di contro, potendo sfruttare delle modalità di simulazione avanzate, permetterà di fornire valutazioni quantitative più attendibili e contribuirà all'avanzamento delle conoscenze rispetto allo stato dell'arte del tema specifico.