6. gallerie

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OPERE IN SOTTERRANEOOPERE IN SOTTERRANEODefinizioni e terminologiaGallerie: infrastrutture civili realizzate nel campo dell’ingegneria stradale, ferroviaria ed idraulica, in caso di tracciato che interessa rilievi morfologici il cui attraversamento esterno risulterebbe particolarmente complesso e/o oneroso, o per motivi di carattere ambientale o urbanistico.

A) Gallerie naturali: le rocce e/o terreni inglobano completamente la galleria (scavo a foro cieco).B) Gallerie artificiali: scavo preliminare di trincea (scavo a cielo aperto) e successiva copertura.C) Gallerie parietali: gallerie naturali realizzate all’interno di fianchi vallivi con coperture estremamente esigue sul paramento di valle.D) Gallerie paramassi: gallerie artificiali realizzate per proteggere la sede stradale da caduta di massi.

Definizioni e terminologia

Terminologia delle diverse parti di una galleria

paramento

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Definizioni e terminologia

Esempio galleria TAV

1) Indagini geognostiche finalizzate alla scelta del tracciato

- Fase preliminare: Informazioni bibliografiche e foto aeree: indicazioni sulle direttrici più favorevoli.

- Indagini approfondite: in corrispondenza di tali direttrici: rilevamento geologico (1:10.000 – 1:25.000); rilievi geomeccanici di dettaglio su affioramenti rocciosi.

- Studio geomorfologico ed idrogeologico dell’area

Indagini geognostiche

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1) Indagini geognostiche finalizzate alla scelta del tracciato

- Risultati: elaborati tecnici in cui vengono evidenziate aree critiche in cui sono necessarie ulteriori indagini geognostiche (sondaggi, prospezioni geofisiche)

- Determinazione del tracciato più favorevole

- Sezione geologico-tecnica: longitudinale all’asse della galleria, con informazioni su aspetti strutturali ed idrogeologici.

Indagini geognostiche

Principali problematiche di natura geologica durante la realizzazione di gallerie1) Problematiche legate alla natura litologica ed all’assetto stratigrafico - tettonico

-Terreni sciolti: situazioni sfavorevoli legate a scarse caratteristiche di resistenza e presenza d’acqua.

- Roccia: problematiche legate a grado di fratturazione, condizioni giaciturali in rocce stratificate, deformazioni (pieghe, faglie).

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1) Problematiche legate alla natura litologica ed all’assetto stratigrafico - tettonico- Relazioni con stratificazione

1) Problematiche legate alla natura litologica ed all’assetto stratigrafico - tettonico- Pieghe: ospitano tensioni residue di varia natura

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1) Problematiche legate alla natura litologica ed all’assetto stratigrafico - tettonico- Pieghe: ospitano tensioni residue di varia natura

1) Problematiche legate alla natura litologica ed all’assetto stratigrafico - tettonico- Faglie: presenza di materiale cataclasato (limo, breccia di frizione) con autoportanza scarsa o nulla e circolazione preferenziale di acqua

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1) Problematiche legate alla natura litologica ed all’assetto stratigrafico - tettonico- Sovrascorrimenti: particolarmente problematici ed imprevedibili

2) Problematiche legate alle condizioni morfologiche

A) Gallerie superficialiCondizioni di stabilità influenzate da:- tipo di copertura, soprattutto se in presenza di materiali sciolti- fenomeni carsici- dissesti superficiali- fenomeni di alterazione superficiale

Fig.5.9 - La coltre di detrito e i depositi glaciali favoriscono l’infiltrazione delle acquesotterranee che vengono convogliate in galleria attraverso le fratture della roccia.

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A) Gallerie superficialiL'equilibrio delle pareti è influenzato dalla ridotta copertura in gioco e dalla conseguente presenza di materiali sciolti: eventuali dissesti

Fig.5.10 - Forte instabilità della falda di detrito.

Inoltre possibili cospicue venute d'acqua ed alterazione della roccia


B) Gallerie parietaliProblematiche analoghe a gallerie superficiali, cui si aggiungono carichi dissimmetrici dovuti a disposizione strati e fratturazione

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C) Gallerie profonde- presenza di convergenze elevate- Possibili bruschi detensionamenti con possibile violenta proiezione di materiale in galleria (colpo di montagna)- Possibile presenza di elevate temperature

3) Altre problematiche- Venute d’acqua (“inrush”): soprattutto in corrispondenza di faglie/sovrascorrimenti, fratture, carsismo. Possono comportare problemi per l’avanzamento.

- Reperimento di gas (anidride carbonica, ossido di carbonio, ossidi di azoto, acido solfidrico, anidride solforosa)

- Rinvenimento di acque aggressive: in grado di aggredire chimicamente i calcestruzzi.

- Rinvenimento di materiali rigonfianti (smectiti, illiti, caoliniti): aumentano di volume e comportano deformazioni e convergenza delle pareti

- Rinvenimento di amianto

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1. Scavo meccanico- Mezzi di scavo tradizionali (pale meccaniche, martelli demolitori, ecc.)

Mezzi di scavo

Mezzi di scavo, metodologie di avanzamento e tecniche costruttive

Pale meccaniche: riservate a materiali incoerenti o debolmente coerenti

Martelli demolitori (“martelloni”): per rocce con caratteristiche scadenti o per correggere profilatura di scavo dopo abbattimento con esplosivo

1. Scavo meccanico- Mezzi di scavo tradizionali (pale meccaniche, martelli demolitori, ecc.)

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1. Scavo meccanico- Mezzi di scavo non tradizionali

Frese: utilizzate per rocciaScudi: per terreni o per rocce molto fratturate

Mezzi di scavo

Frese- Frese ad attacco puntuale: telaio montato su gomma o cingoli e braccio mobile con utensili di scavo di vario tipo (a seconda della resistenza della roccia) montati all’estremità.

Frese ad attacco puntuale: versatili e poco ingombranti

ma avanzamento lento

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Frese- Frese ad attacco integrale o a piena sezione o TBM (Tunnel Boring Machine): testa rotante, con diametro pari a quello della galleria, con spinta ottenuta contrastando la macchina alle pareti mediante cuscinetti azionati da dispositivi idraulici

Frese ad attacco integrale (TBM): testa rotante con diametro pari a quello della galleria

ScudiCostituiti da camicia esterna, generalmente cilindrica, sulla cui parte anteriore è collocato il sistema di scavo che varia a seconda del tipo di scudo

Scudi apertisimili a frese poste all’interno di uno scudo per proteggere da distacchi localizzati

- Scudi semimeccanizzati: scudo esterno contenente fresa puntuale

- Scudi meccanizzati: scudo esterno contenente fresa ad attacco integrale

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Scudi: simili a frese collocate all’interno di un grosso cilindro per proteggere lo scavo da possibili distacchi localizzati.

Utilizzati per terreni sciolti o rocce molto fratturate.

Scudi

Scudi chiusidotati di una testa di taglio a fronte chiuso, senza comunicazione tra fronte di scavo ed interno della galleria. La stabilità del fronte durante l’avanzamento è garantita mediante la pressione esercitata dallo scudo chiuso sul fronte stesso.

- Scudi a pressione meccanica: esercitano pressione di contenimento sul fronte mediante testa della fresa.

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Scudi chiusi- Scudi a pressione d’aria: pressione di contenimento sul fronte mediante aria

- Scudi a pressione di fanghi: utilizzo di fango in pressione

- Scudi a pressione di terra o EPB: iniettano al fronte mediante appositi ugelli un agente avente funzione di fluidificare il terreno da scavare, in modo da formare strato diterreno parzialmente fluidificato (cake)

2. Scavo mediante esplosivo- Realizzazione di fori da mina nel fronte di scavo mediante appositi mezzi ( “jumbo”) dotati di una serie di perforatrici

- Insieme di mine (“volata”) fatte brillare contemporaneamente o in fasi successive distanziate di millisecondi (tecnica di “presplitting”),

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Mezzi (“jumbo”) che ospitano perforatrici provviste di aste metalliche (“fioretti”) attrezzate all’estremitàcon mezzi taglienti: nei fori così realizzati si inseriscono le mine

Volata

2. Scavo mediante esplosivo

Metodologie di avanzamento

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Metodi più recenti- Avanzamento a piena sezione: eseguiti, a breve distanza dal fronte, interventi di consolidamento e rivestimento

- Avanzamento a sezione parzializzata: abbattimento del fronte con piano di scavo leggermente sopraelevato e successivo ribasso, dopo applicazione dei rivestimenti

Metodologie di avanzamento

1) Preconsolidamenti (eventuali) e precontenimento: finalizzati a migliorare la qualità dei materiali da attraversare. Iniezioni di miscele cementizie e/o chimiche, jet-grouting, chiodatura del fronte di scavo.

2) Scavo

3) Consolidamenti radiali (eventuali) e contenimento del cavoBulloni, iniezioni

Tecniche costruttive

Principali fasi durante la realizzazione di gallerie:

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4) Rivestimento di prima fase: finalizzato a conseguimento di condizioni di equilibrio a breve termine della cavitàSpritz-beton eventualmente armato, centine

5) Impermeabilizzazione (eventuale, ma quasi sempre presente)Manto in P.V.C. su pareti di scavo

6) Rivestimento definitivo o di seconda faseGetto di calcestruzzo eventualmente armato su pareti con spessore variabile a seconda delle condizioni esistenti (30-120 cm)

Tecniche costruttive

Principali fasi durante la realizzazione di gallerie:

Sintesi dei risultati campagna geognostica

A) Definizione della qualità degli ammassi

B) Metodologie per previsione del comportamento della roccia in seguito a scavo

Soluzioni progettuali

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Esempio di profilo geomeccanico di previsione

Elaborazione di un profilo geomeccanico di previsione

Soluzioni progettuali

A) Classificazione di Rabcewicz-Pacherqualitativa; applicabile a rocce e materiale sciolto

Definizione della qualità degli ammassi

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B) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR (Rock Mass Rating)- semiquantitativa- applicabile solo ad ammassi rocciosi- prima classificazione (1973) che fornisce un valore di coesione ed angolo di attrito in funzione di spaziatura discontinuità e resistenza a compressione monoassiale della roccia intatta

Prova di resistenza a compressione monoassiale- Resistenza a compressione: è la resistenza che le rocce oppongono alle forze che tendono a romperle per schiacciamento- parametro utilizzato per esprimere le caratteristiche geomeccaniche della roccia- utilizzata nel campo minerario-- ai fini della classificazione di ammassi rocciosi si ricorre spesso a valutazioni speditive in sito sulla base di tabelle (vedi prossimi lucidi)

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Prova di resistenza a compressione monoassiale- si sottopone un blocco di roccia a dei carichi e si misurano le deformazioni assiali

Si possono effettuare due tipi di prove:- monoassiali: si porta a rottura un provino sottoponendolo ad una sollecitazione normale con dilatazione laterale libera- triassiali: il campione non può espandersi liberamente in quanto soggetto ad una pressione di contenimento.

Prova di resistenza a compressione monoassialeCLASSE

[*] DESCRIZIONE RESISTENZA A

COMPRESSIONE MONOASSIALE (MPA)

INDICE DI RESISTENZA (POINT

LOAD) (MPA)

VALUTAZIONE DELLA RESISTENZA IN SITO ESEMPI

R6 Resistenza estremamente elevata

>250 >10 Un campione può essere solamente scheggiato con un martello geologico

Basalto intatto, selce, diabase, gneiss, granito, quarzite

R5 Resistenza molto elevata

100-250 4-10 Un campione richiede molti colpi di un martello geologico per essere fratturato

Anfibolite, arenaria, basalto, gabbro, gneiss, granodiorite, calcare, marna, riolite, tufi

R4 Resistenza elevata

50-100 2-4 Un campione richiede più di un colpo di un martello geologico per essere fratturato

Calcare, marna, fallite, arenaria, scisto, argillite

R3 Resistenza media

25-50 1-2 Non può essere raschiato o spellato con un coltellino, un campione può essere fratturato con un solo colpo di un martello geologico

Argillite, carbone, calcestruzzo, scisto, siltite

R2 Resistenza bassa

5-25 [**] Con difficoltà può essere spellato con un coltellino, una intaccatura superficiale può essere procurata con un colpo inferto mediante la punta di un martello geologico

Calcare bianco, salgemma

R1 Resistenza molto bassa

1-5 [**] Si frantuma per effetto di alcuni colpi con la punta di un martello geologico, può essere spellato mediante un coltellino

Rocce estremamente alterate

R0 Resistenza estremamente bassa

0.25-1 [**] Intagliato con l’unghia di un pollice Miloniti, cataclasi

[*] In accordo a Brown E.T. (1981), Rock characterization, testing and monitorino . ISRM suggested methods, pp. 171-183, Oxford Pergamon. [**] La prova meccanica point load su rocce con resistenza a compressione monoassiale inferiore a 25 Mpa fornisce risultati poco attendibili

Tabella per una valutazione in sito della resistenza a compressione monoassiale della roccia

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Point Load Test- Prova di tipo monoassiale consistente nel comprimere il campione posizionato tra due punte coniche comandate da un sistema idraulico a pressione, fino a provocarne la rottura

- Si ottiene un Indice di Point Load dal quale si risale, tramite una relazione empirica, alla resistenza a compressione monoassiale del materiale.

Point Load TestProva standard

Modalità di esecuzione- 10 prove- Si escludono i due valori più alti e i due più bassi- Si fa la media aritmetica dei restanti sei valori

Provino cilindrico D =50 mm

Is(50) = D 2P

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Point Load TestCorrelazioni tra indice di point load e resistenza a compressione monoassiale

σc = 15 Is(50)Argilliti, calcariArenarieGranitiTufo

σc = 23 Is(50)σc = 30 Is(50)σc = 8 Is(50)

σc = 24 Is(50)

Martello di Schmidt o sclerometro

- Utilizzato per ricavare la resistenza a compressione (apparente) della porzione più superficiale della roccia- Massa battente proiettata da una molla su un’asta metallica appoggiata alla roccia- Confronto con valore prove monoassiali o point load test, utilizzato per dare indicazioni sul grado di alterazione superficiale della roccia

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Martello di Schmidt o sclerometro

- Relazione di Miller:σc = 10 0.00088γ R +1.01

dove σc (Mpa): resistenza a compressione (apparente); γ(kN/m3): peso di volume; R: numero rimbalzi

Correlazione tra resistenza a compressione monoassiale, numero di rimbalzi ed inclinazione dello strumento

- Carotiere semplice- Unico tubo con carota a contatto con pareti e fluido di circolazione.- Si usa in roccia intatta o poco fratturata.

Tubo di ferro (1.5 m) avvitato alla sommità alle aste e con corona dentata alla base

Carotiere

- Carotiere doppio- Doppio tubo con fluido che circola nell’intercapedine.- Si usa in terreni sciolti addensati e roccia fratturata

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Lunghezza degli spezzoni di carota > 10 cm

Lunghezza totale della carotaR.Q.D. = 100

RQD (Rock Quality Designation)

B) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR (Rock Mass Rating)Versione successiva (1979) basata su 5 parametri:1) Resistenza alla compressione, ottenuta tramite prova di compressione monoassiale o Point Load Test2) RQD3) Spaziatura dei giunti4) Condizione dei giunti: apertura, rugosità, grado di alterazione, presenza o meno di materiali di riempimento5) Condizioni idrauliche

- RMR: Somma dei valori assegnati ai 5 parametri (variabile tra 0 e 100)- Correzioni (tramite apposite tabelle) in base a rapporti tra orientazione galleria e delle discontinuità

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B) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR

Effetti dell’orientamento delle discontinuitàB) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR

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Classificazione di Bieniawski applicata a stabilità dei versanti: Indice SMR (Slope Mass Rating)

SMR = RMR + (F1 F2 F3) + F4

dove F1, F2, F3 sono indici che dipendono da rapporto tra direzione discontinuità e versante ed inclinazione discontinuità e versante, mentre F4 tiene conto dei metodi di scavo del versante (o pendio naturale) (Romana, 1985).

CLASSE SMR ROCCIA PENDIOV 0 – 20 Molto scadente Assai instabileIV 21 – 40 Scadente InstabileIII 41 – 60 Discreta Parzialmente stabileII 61 – 80 Buona StabileI 81 – 100 Molto buona Completamente stabile

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C) Classificazione di Barton o Q-system- semiquantitativa- applicabile ad ammassi rocciosi

Si basa sulla definizione dell’indice Q definito come:

Q = RQD

Jn JrJa

JwSRF

dove:- RQD (Rock Quality Designation): percentuale di recupero di un sondaggio- Jn: numero di famiglie di discontinuità- Jr: scabrezza delle discontinuità- Ja: alterazione ed il riempimento dei giunti- Jw: presenza di acqua nei giunti- SRF: stato tensionale dell’ammasso

Q = RQD

Jn JrJa

JwSRF

C) Classificazione di Barton o Q-system

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Q = RQD

Jn JrJa

JwSRF


Q = RQD

Jn JrJa

JwSRF

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Q = RQD

Jn JrJa

JwSRF


Q = RQD

Jn JrJa

JwSRF

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Dimensione equivalente: rapporto tra diametro cavità e ESR (Excavation Support Ratio)



Numeri: indicano i diversi tipi di interventi di sostegno (Hoeck & Brown)

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D) Indice GSI (Geological Strength Index) (Hoek, 1994)

Si basa sulla semplice identificazione, mediante apposita tabella, di una categoria di appartenenza dell’ammasso roccioso in esame, in funzione di una sua descrizione qualitativa, nella quale si fa riferimento alle osservazioni in sito, tendenti ad individuare le famiglie di discontinuità e le condizioni delle loro superfici di contatto

L’indice GSI è stato introdotto per superare alcune lacune del sistema di classificazione di Bieniawski, per quanto concerne gli ammassi rocciosi scadenti.

Il metodo GSI permette inoltre di stimare i parametri di resistenza al taglio dell’ammasso roccioso.

D) Indice GSI

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1) RMR (Rock Mass Rating) di Beniawski

2) Q di Barton (Q system)

Sistemi di classificazione di ammassi rocciosi

Q = RQD

Jn JrJa

JwSRF

Relazione tra RMR e Q:

RMR = 9 ln Q + 44

- Metodo basato sulla teoria di Kastner: consente di valutare lo stato tensionale dell’ammasso al contorno della cavità, per comportamento completamente elastico o plastico

- Metodo basato sulla teoria di Rabcewicz: consente di esprimere il contributo alla pressione di confinamento fornito dagli elementi di sostegno e consolidamento (rivestimenti, centine, spritz-beton, bulloni, ecc.)

Metodologie progettualiOltre alle classificazioni geomeccaniche degli ammassi rocciosi, esistono numerosi metodi per prevedere il comportamento di un ammasso roccioso allo scavo di una galleria, tra i quali si ricordano:

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Metodologie progettuali- Metodo dell’area indice: valuta l’entità dei fenomeni di plasticizzazione e di deformazione nel caso di gallerie affiancate

- Metodi basati su teoria di Terzaghi e Carquot-Kerisel: consentono la determinazione del carico gravante sulle strutture di sostegno di una galleria.

- Metodo basato sulla teoria delle linee caratteristiche: analizza l’interazione tra spostamento radiale (convergenza o deformazione) subìto dal contorno del cavo e reazione opere di stabilizzazione a tale spostamento

Modelli numerici- Metodo di calcolo agli elementi distinti: ammasso roccioso suddiviso in una serie di elementi distinti, ognuno rappresentante un blocco individuale di roccia con specificate proprietà geomeccaniche. Simulazione: per ogni step temporale vengono ricavate le tensioni e gli spostamenti di ciascun elemento della maglia.

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Modelli numerici- Metodo di calcolo agli elementi finiti: suddivisione del materiale (anche terreni sciolti) in elementi trattando il mezzocome continuo; definizione condizioni iniziali e al contorno.Simulazione: per ogni step temporale vengono ricavate le tensioni e gli spostamenti di ciascun elemento della maglia

Tecniche di consolidamentoTecniche utilizzate per migliorare le caratteristiche fisico-meccaniche dei terreni e delle rocce. Si possono distinguere due gruppi di tecniche:A) Interventi migliorativiCausano un aumento di resistenza, andando a costituire uno spessore di materiale consolidato all’intorno della zona dove viene realizzata l’opera. Comprendono:1. Iniezioni; 2. Jet grouting; 3. Congelamento; 4. Compattazione; 5. Drenaggio

B) Interventi conservativiImpiegati durante l’esecuzione di uno scavo in modo da conservare il più possibile indisturbate le condizioni di tensioni e deformazioni del terreno o roccia. Comprendono:1. Armature; 2. Pretaglio meccanico

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Interventi migliorativi: IniezioniIniezione in rocce o terreni dotati di una certa permeabilità di miscele cementizie o soluzioni chimiche all’interno di fori di sondaggio.

A) Intasamento o impregnazioneRiempimento vuoti all’interno del terreno o roccia, senza indurre modificazioni di volume e di struttura.Si utilizza infatti un volume di miscela prefissato, in funzionedel volume di vuoti da colmare, con tecniche differenti a seconda se si tratta di terreno o roccia.

IniezioniB) Fratturazione controllata o claquageUtilizzo per materiale molto fine con bassissima permeabilità. Micro-fratturazione attraverso getti preventivi ad alta pressione che provocano fessure e piccoli condotti disposti radialmente all’interno dei quali penetra la miscela.

Miscele di iniezione:Malte: miscele cementizie con basso contenuto d’acquaSospensioni: miscele di cemento e acqua, con aggiunta

di sabbia ed eventualmente di bentoniteSoluzioni: miscele chimiche senza cemento

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IniezioniApplicazioni- dal piano campagna- opere in sotterraneo: in avanzamento dal fronte di scavo o da cunicolo laterale

Jet grouting- Iniezione di miscele cementizie ad altissima pressione- Il getto provoca una disgregazione del terreno, miscelandolo contemporaneamente con un fluido cementizio stabilizzante fino a formare una colonna di materiale con caratteristiche meccaniche migliori rispetto al terreno originario

- Adatto a terreni di qualsiasi granulometria- Realizzazione di una serie di colonne di terreno consolidato- Diametro delle singole colonne: 80-100 cm (terreni incoerenti); 40-50 cm (terreni coesivi)

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Jet groutingMetodo monofluidoDisgregazione attraverso l’azione della miscela cementizia che ha anche funzione di stabilizzare il terreno

Metodo bifluidoDisgregazione attraverso l’azione di acqua o aria immessa preventivamente; getto di miscela cementizia successivo solo con funzione stabilizzante

Jet grouting

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Metodo trifluidoDisgregazione attraverso l’azione di acqua o aria immediatamente seguita da getto di miscela cementizia

Jet grouting

Impiego del jet grouting secondo varie modalità:- Trattamenti colonnari verticali dalla superficie (gallerie poco profonde)

Jet grouting

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- Trattamenti suborizzontali: a partire dal fronte di avanzamento lungo il profilo estradosso

Jet grouting

- Trattamenti suborizzontali a partire dal fronte di avanzamento in corrispondenza del fronte stesso

Jet grouting

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Miglioramento delle caratteristiche meccaniche di terreno o roccia fratturata mediante inserimento di elementi strutturalipiù resistenti (barre, tubi, cavi in acciaio)Armature passive o precompresseStrutture disposte ortogonalmente rispetto all’asse del fronte di scavo

Interventi conservativi: Armature

Centine: tipo di armature passive attualmente piùutilizzato. Armature metalliche costituite da profilati a doppia T, montate in sito e imbullonate tra loro.

InfilaggiSerie di armature portanti in acciaio disposte all’esterno della sezione con andamento lievemente inclinato verso l’alto.

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AncoraggiMiglioramento caratteristiche di resistenza al taglio e a trazione lungo superfici di debolezza.

Tre tipi di ancoraggi:- bulloni- chiodi- tiranti

Monitoraggio grandi opereNormativa di riferimento: Legge obiettivo 21.12.2001 n.443Linee Guida per il Progetto di Monitoraggio Ambientale (PMA)

Aspetti geologici di interesse:

1. Suolo e sottosuolo

2. Ambiente idrico

3. Rifiuti – Rocce e terre da scavo

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Monitoraggio grandi opere

1. Monitoraggio ante-operam:stato attuale dell’ambiente naturale relativamente alle sue componenti fisiche

2. Monitoraggio in corso d’opera:variazioni delle componenti fisiche indotte dalla realizzazione dell’opera

3. Monitoraggio post-operam:modifiche delle componenti fisiche avvenute rispetto alla situazione di riferimento ante-operam

Articolazione temporale del monitoraggio:

Monitoraggio ante-operam- Caratterizzazione geolitologica e geostrutturale- Caratterizzazione geomorfologica- Caratteristiche geotecniche dei terreni e delle rocce- Caratterizzazione geochimica del sottosuolo

Suolo e sottosuolo

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Monitoraggio in corso d’opera e post-operam

Processi morfoevolutivi e meccanica dei terreni in ambiente continentale- Processi morfoevolutivi di versante, fluviali e lacustri- Possibili alterazioni dei parametri geotecnici

Processi morfoevolutivi in ambiente marino e di transizione- Processi morfoevolutivi della linea di costa (spiagge, falesie,alterazioni moto ondoso)- Interrimento di zone umide costiere (lagune, paludi e stagni costieri)

Suolo e sottosuolo

Monitoraggio ante-operam- Definizione della circolazione idrica superficiale e sotterranea- Definizione delle caratteristiche chimico-fisiche delle acque

Monitoraggio in corso d’opera e post-operam- Falde acquifere, sorgenti e pozzi nell’area interessata dall’opera- Parametri idraulici e chimico-fisici delle acque, sia superficiali che sotterranee, dei corpi idrici interessati dall’opera

Ambiente idrico

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1. Processi di versante e deformazioni superficiali

- Possibile innesco di frane, soprattutto nelle tratte di imbocco ed in gallerie superficiali che vanno ad interessare materiali sciolti e coperture detritiche

- Deformazioni superficiali ed eventuali sprofondamenti(“fornelli”) in tratte di gallerie a bassa copertura che interessano terreni o rocce estremamente fratturate/carsificate

Monitoraggio gallerie

Fornelli in galleriaRilascio gravitativo, cedimento della volta, fornello: termini che indicano il distacco e crollo, per lo più improvviso ed inaspettato, di volumi rocciosi o di terreno sciolto anche ingrande quantità

Terreni detritici sciolti e basse coperture: il fornello può raggiungere la superficie dando luogo ad un cratere

Svuotamento improvviso di cavitàpiena di breccia, tipico di attraversamento di faglie o sottopasso di paleoalvei sottofalda

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2. Impatti sulla circolazione idrica sotterranea e acque superficiali- Se la galleria si trova al di sopra della falda, le problematiche sono ridotte; se invece la galleria si snoda al di sotto della falda, gli effetti possono essere molto rilevanti- Effetti generali: drenaggio delle falde, con perdita di risorse idriche sotterranee, abbassamento dei livelli freatici nella zona soprastante, variazioni delle portate in pozzi, sorgenti e corsid’acqua superficiali connessi alle falde- Le operazioni di scavo possono intercettare il locale deflusso idrico sotterraneo che alimenta le emergenze idriche, con conseguente riduzione della portata ed in condizioni estreme il prosciugamento. Tale impatto si verifica in fase di costruzione e può essere irreversibile


- Impatti sulla qualità delle acque, con possibili rischi di inquinamento durante la fase di cantiere per sversamenti accidentali all’interno della galleria fino a quando non viene impermeabilizzata

3. Impatti legati allo smaltimento del materiale di scavo- Possibili alterazioni chimico-fisiche del suolo, del sottosuolo, delle acque superficiali (corsi d’acqua) e sotterranee , derivanti dalla movimentazione e dall’accumulo del materiale di scavo delle gallerie


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2. IMPATTI SULLA CIRCOLAZIONE IDRICA SOTTERRANEA - Aree interessate da carsismo: effetti accentuati e spesso imprevedibili a causa della complessità del sistema di circolazione sotterranea

Spaccato verticale schematico di un sistema

carsico


- Presenza di conche endoreiche: dovute ad azione combinata di tettonica e carsismo

- Infiltrazione attraverso inghiottitoi

- Circolazione sotterranea molto complessa ed imprevedibile, influenzata da fratture, stratificazione, livelli meno permeabili, ecc.

Acquiferi carsici

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- Presenza di faglie dirette con fasce cataclasitichepossono invertire l’effetto sulla circolazione idrica: esempio Galleria autostradale del Gran Sasso (Faglia valle Fredda: perdita concentrata di carico piezometrico di 200 m)

Acquiferi carsici

- Intercalazioni di rocce relativamente meno permeabilicondizionano fortemente la circolazione in acquiferi carsici

- Complesso calcareo-marnoso interposto nelle dolomiedei monti di Salerno che evitava perdite consistenti di acque verso mare e verso le falde di depositi recenti

- Galleria ferroviaria: abbassamento della quota di emergenza di sorgenti a 15 m s.l.m. mentre prima l’acquifero alimentava sorgenti a circa 100 m s.l.m.

Acquiferi carsici

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Nuova Linea AV/AC Venezia-TriesteTratta Ronchi dei Legionari – Trieste

- Contesto geomorfologico unico, caratterizzato dalla presenza di carsismo e da un elevato numero di cavitàcarsiche lungo gran parte del tracciato:

- Accertata una elevata interferenza dell’opera con le cavità(14 cavità a distanza inferiore di 30 m ed elevata probabilità di incontrarne altre), tenendo altresì conto che siamo in un contesto in cui sono catastate più di 4700 cavità nel Friuli Venezia Giulia)


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Grotta del laghettoGrotta presso quota 36 Grotta degli Scalpellini

Grotta AurisinaGrotta nuova di Prosecco

Esempi di interferenze con cavità

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Sezioni geologiche rappresentative con evidenziata la posizione del tracciato di progetto (A) e dell’alternativa di

progetto (B)

Flysch arenaceo-pelitico Flysch

arenaceoCalcari Terziari

Calcari Mesozoici

Flysch arenaceo-pelitico Flysch

arenaceoCalcari Terziari

B A 0 500 m


Gallerie TAV attraverso l’Appennino Toscano *Anni tra 1996 e 2005: territorio provincia di Firenze interessato dalle opere di cantierizzazione e scavo di uno dei più importanti sistemi di gallerie ferroviarie realizzati in Europa.

Finalità: collegamento Firenze – Bologna mediante Alta Velocità / Alta Capacità ferroviaria

Tratta in questione (“TAV”) comprende 79 km di cui 73 in gallerie, di cui in Provincia di Firenze 54.5 km di cui 45 in galleria

da Canuti et al. (2009), Le gallerie TAV attraverso l’Appennino toscano: impatto idrogeologico ed opere di mitigazione. Edifir, Edizioni Firenze, 207 pp.

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Gallerie TAV attraverso l’Appennino ToscanoProblematiche:1. Il controllo delle deformazioni del cavo della galleria

indotte dall’interessamento di terreni e rocce spingenti o rocce fratturate potenzialmente in grado di innescare distacchi;

2. L’intercettazione con il fronte di scavo di rocce fratturate che possono essere sedi di serbatoi di fluidi quali acqua, gas ed eventualmente anche idrocarburi liquidi

Gallerie TAV attraverso l’Appennino ToscanoEffetti più importanti causati da intercettazione:- generalizzato abbassamento dei carichi piezometrici, conseguente allo svuotamento parziale o totale delle porzioni acquifere di ammasso roccioso, che ha localmente esaurito e diminuito la resa di pozzi- riduzione della portata dei torrenti montani, riconducibile

a perdite in alveo, con prosciugamento completo nei periodi di magra o comunque con flussi ampiamente inferiori al Deflusso Minimo Vitale

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Geologia del tracciato

Profilo geologico lungo la linea TAV

Acque sotterranee intercettate dalle gallerie TAV

- A titolo di esempio si riporta il caso della Galleria Firenzuola (km 15), la quale attraversa per gran parte della sua estensione la Formazione Marnoso – Arenacea

- Idrogramma della portata in avanzamento: evidenzia l’intercettazione di numerose strutture acquifere (ciò si èverificato anche per le altre gallerie)

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Idrogramma di drenaggio in avanzamento della galleria Firenzuola con identificazione dei principali inrush


Eventi di inrush di maggior rilievo per il lato nord

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- Galleria Vaglia (km 18.5), la più lunga dell’intero tracciato, interessa prevalentemente la formazione calcareo marnosa di M.Morello

- Idrogramma della portata in avanzamento evidenzia l’intercettazione di alcune strutture acquifere, in numero inferiore rispetto alla Firenzuola e, soprattutto, con portate istantanee meno ingenti ma con effetti ambientali consistenti, soprattutto sul bacino del Torrente Carzola

Analisi degli impatti desunta dal monitoraggio

- Sorgenti: 2 su 5 in media sono state influenzate, con prosciugamento totale ed irreversibile per 33 sorgenti, prosciugamento estivo per 21 sorgenti, o abbassamento di portata per 15 sorgenti

- Torrenti: 17 aste torrentizie principali monitorate, delle quali solo 3 possono considerarsi non influenzate, le altre 14 influenzate con vario grado di impatto (da riduzioni portata a prosciugamento)

- Pozzi: su 31 monitorati, in 35 pozzi si è verificata un’interferenza

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Aspetti da trattare:

1. Finalità (alla conoscenza di quali aspetti è finalizzato il programma di monitoraggio)

2. Fattori per la definizione elementi rete di monitoraggio (in base a cosa scegliere dove effettuare le misure) 3. Definizione elementi rete di monitoraggio (stazioni misura, tipologia misure, parametri, frequenza, ecc.)

Programma di monitoraggio ambientale (PMA)

Settori di competenza geologica:

1. Assetto del territorio (versanti, corsi d’acqua)

2. Ambiente idrico sotterraneo (circolazione idrica, pozzi, sorgenti)

Programma di monitoraggio ambientale (PMA)

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1. FinalitàIl Programma di Monitoraggio dell’assetto del territorio(versanti e corsi d’acqua) deve essere finalizzato ai seguenti aspetti:1. Certificazione dello stato dei versanti e corsi d’acqua nella situazione precedente l’avvio dei lavori2. Controllo delle modificazioni che avvengono nella fase di cantiere3. Acquisizione dati necessari per tempestiva messa in opera di eventuali interventi di stabilizzazione al primo manifestarsi di effetti negativi sulla stabilità del territorio connessi alla realizzazione di particolari opere

Programma di monitoraggio ambientale (PMA): Assetto del territorio

1. FinalitàIl Programma di Monitoraggio dell’assetto del territorio (versanti e corsi d’acqua) deve essere finalizzato ai seguenti aspetti:4. Verifica degli effetti a breve-medio termine dopo la realizzazione delle opere

5. Predisposizione di una rete permanente di misura per il controllo dei comparti a rischio nella fase di eserciziodell’opera

PMA Assetto del territorio

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2. FattoriCriteri per la definizione della rete di monitoraggio basati sui seguenti fattori:

- Vulnerabilità geologico-geomorfologica dei diversi settori del territorio interessato dalle opere

- Localizzazione dei dissesti in atto- Tipologia locale delle opere autostradali, in funzione del maggiore o minore grado di interferenza potenziale con stabilità dei versanti o corso d’acqua

- Presenza di abitazioni o infrastrutture di rilievo insistenti sui versanti o corso d’acqua oggetto di monitoraggio


3. Definizione rete di monitoraggioLa definizione del programma si riferisce ai seguenti elementi della rete di monitoraggio:

- Quadro dei settori di territorio oggetto del monitoraggio (versanti, corsi d’acqua)

- Parametri oggetto delle misure, con riferimento ad un set standard di rilievi previsti su tutte le stazioni (rete di “primo livello”) e ad un set di rilievi aggiuntivi di approfondimento (rete di “secondo livello”)

- Frequenza delle rilevazioni- Modalità di esecuzione delle misure, di acquisizione dei dati, e tipologia delle installazioni fisse


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Aree interessate dal monitoraggioLa scelta dei settori di territorio interessati da monitoraggio viene generalmente effettuata in base a: a) Definizione delle “aree sensibili” sulla base della propensione al dissesto b) Definizione delle tipologie di “opere sensibili”, ossia potenzialmente soggette ad influenzare le condizioni di stabilità dei versanti / corsi d’acquac) Individuazione dei settori da monitorare, derivanti dalla sovrapposizione delle “opere sensibili” e delle “aree sensibili”


Aree interessate dal monitoraggioOpere sensibili:Opere con potenziali interferenze con la stabilità dei versanti:- Settori di imbocco gallerie- Gallerie parietali e/o a debole profondità- Spalle di viadotti- Settori a mezzacostaOpere con potenziali interferenze con la dinamica fluviale:- Viadotti e difese di spondaOpere non influenti:- Rilevati- Gallerie profonde


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Monitoraggio strumentale gallerieHa soprattutto lo scopo di misurare e monitorare i parametri geotecnici e geomeccanici e le deformazioni nella galleria e nei dintorni del cavo, per assicurare la stabilità e la sicurezza nella realizzazione dell’opera, piuttosto che per monitorare gli effetti dell’opera sull’ambiente circostante

2. Estensimetro multibase(movimenti di terreno e roccia attorno al cavo della galleria)4. Celle di pressione (misura della pressione gravante sulle centine)5. Distometro a nastro (monitoraggio della convergenza del cavo)6. Colonna inclino-estensimetrica(sforzi e deformazioni attorno al cavo)7. Celle di carico (misura carico dei tiranti)9. Barrette gettate nel calcestruzzo(sforzi nel cls)10. Piezometri elettrici (controllo delle pressioni interstiziali)14. Accelerometri (monitoraggio delle vibrazioni durante lo scavo)

Monitoraggio strumentale gallerie

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Estensimetri

Piezometri elettrici

Celle di carico

Celle di pressione

Celle di pressione

Sonda inclinometrica e datalogger


In alcuni casi (passaggio di una galleria sotto abitazioni) il monitoraggio strumentale coinvolge anche abitazioni che possono risentire delle deformazioni dovute allo scavo


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1. FinalitàIl Programma di Monitoraggio delle acque sotterranee deve essere finalizzato ai seguenti aspetti:

1. Certificazione dello stato quali-quantitativo dei corpi idrici nella situazione precedente l’avvio dei lavori2. Controllo dei corpi idrici nella fase di cantiere3. Acquisizione dati necessari a valutazione circolazione idrica sotterranea e messa in atto di eventuali interventi di protezione delle aree di utilizzazione delle risorse idriche degli acquiferi

Programma di monitoraggio ambientale (PMA): Acque sotterranee

4. Verifica delle caratteristiche quali-quantitative di corpi idrici individuati come potenziali fonti di approvvigionamento idrico alternativo (in sostituzione di captazioni ad elevato rischio di interferenza)

5. Predisposizione di una rete permanente di misura per il controllo dei comparti a rischio nella fase di eserciziodell’opera

1. FinalitàIl Programma di Monitoraggio delle acque sotterranee deve essere finalizzato ai seguenti aspetti:

PMA Acque sotterranee

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2. FattoriCriteri per la definizione della rete di monitoraggio basati sui seguenti fattori:

- Rischio di interferenza tra opere in progetto e corpi idrici sotterranei

- Rilevanza socio-economica di ogni captazione


Possibili punti inseriti in una rete di monitoraggio delle acque sotterrane 1. Sorgenti per le quali non si individua un rischio di interferenza ma caratterizzate da una significativa portata (es. >1 l/s) e pertanto rilevanti sia per l’approvvigionamento in atto che potenziale2. Sorgenti o pozzi a rischio di interferenza in base alle risultanze dello studio idrogeologico (indipendentemente dall’uso attuato o previsto)3. Sorgenti o pozzi costituenti l’unica fonte di approvvigionamento per abitati o piccoli gruppi di abitazioni4. Sorgenti o pozzi per i quali esistono progetti di sfruttamento da parte di acquedotti pubblici, consorzi irrigui, ecc.5. Punti di captazione per i quali è prospettabile un uso come risorsa sostitutiva in caso di effettivo depauperamento di risorse a rischio


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3. Definizione rete di monitoraggioLa definizione del programma si riferisce ai seguenti elementi della rete di monitoraggio:

- Quadro delle stazioni di misura (sorgenti, pozzi, piezometri)

- Parametri oggetto delle misure, con riferimento ad un set standard di determinazioni previste su tutte le stazioni e ad un set di parametri specialistici rilevabili in specifiche indagini di approfondimento

- Frequenza delle misure- Modalità di esecuzione delle misure, di acquisizione dei dati, e tipologia delle installazioni fisse


Scelta degli indicatori

1. Set standardIl set standard comprende i parametri di base per la caratterizzazione dei punti di misura:Stazioni di misura su pozzi:- livello statico- temperatura- concentrazione ioni idrogeno (pH)- conducibilità elettricaossigeno disciolto


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Regime di variazioni dei livelli piezometrici in relazione al regime delle precipitazioni e delle temperature (pianura

emiliana tra i fiumi Enza e Secchia)



1. Set standardStazioni di misura su sorgenti:- portata- temperatura- concentrazione ioni idrogeno (pH)- conducibilità elettrica


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Correlazioni tra precipitazioni e portate medie di due

sorgenti a scala stagionale

Correlazioni tra precipitazioni e portate medie di una sorgente



2. Set parametri specialisticiOltre al set di parametri standard, la cui misura viene effettuata su tutti i punti della rete, vanno previsti alcuni parametri aggiuntivi in relazione alle seguenti finalità:1. verificare eventuali alterazioni della qualità connesse al contatto tra i corpi idrici sotterranei e le acque in galleria2. verificare l’idoneità qualitativa di corpi idrici identificati come possibili risorse alternative in sostituzione di risorse a rischio


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2. Set parametri specialisticiAlterazioni qualitative determinate dal contatto tra acque sotterranee e materiali di rivestimento di gallerie (finalità 1): unico effetto rilevabile deriva dalla percolazione delle acque sotterranee a contatto con lo spritz-beton del rivestimento provvisorioIl dilavamento del cemento può produrre un aumento di ioni Ca++ e Na++, dell’alcalinità, del pH e della conducibilitàelettrica


2. Set parametri specialisticiPertanto per la finalità 1 i parametri aggiuntivi sono in genere:- Calcio (mg/l Ca++)- Sodio (mg/l Na++)- Alcalinità (mg/l HCO3

-)

Per le finalità 2 e 3 (idoneità qualitativa) i parametri aggiuntivi sono in genere:- Carica batterica- Coliformi- Nitrati- Ammoniaca- ecc.


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Modalità di esecuzione delle misure1. Livello statico in pozzi: acquisizione dati “per campagne” (mediante sonda piezometrica elettroacustica con cavo graduato o freatimetro) o in continuo (mediante sonda di pressione con sensore collegato a data-logger)

Freatimetri Sonde di pressioneMonitoraggio

automatico livello di falda e temperatura


2. Misure di portata su sorgenti: acquisizione dati “per campagne” (metodo volumetrico, metodo correntometrico, traccianti) o in continuo (misure portata con stramazzo, sonda piezometrica collegata a data-logger)

Misuratore di portata tramite stramazzoMicromulinello

PMA Acque sotterraneeModalità di esecuzione delle misure

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Modalità di esecuzione delle misure 3. Parametri fisico-chimici rilevabili in sito: TemperaturaConcentrazione ioni idrogenoConducibilità elettricaOssigeno discioltoVengono rilevati in sito attraverso l’impiego di strumentazione elettronica portatile.

Misuratore Ph Misuratore Ossigeno disciolto

Campionatore d’acqua per analisi chimiche


Frequenza delle misure La frequenza con cui devono essere misurati i vari parametri va definita anche in funzione delle caratteristiche di circolazione idrica sotterranea evidenziate nello studio idrogeologico.Ad esempio, per monitorare la variabilità delle portate sono necessari dati sufficienti per definire le curve di ricarica(relazione portata-tempo nei periodi di ricarica) e di esaurimento. Nel caso di un contesto idrogeologico con “stile” di circolazione generalmente epidermico, circuiti brevi, portate scarse e fortemente variabili, il monitoraggio per risultare significativo deve essere effettuato con elevata frequenza.


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Frequenza delle misure Generalmente:- misure con cadenza mensile per il primo anno di monitoraggio- misure con cadenza bimestrale negli anni di monitoraggio successivi al primo fino all’avvio dei cantieri- misure con cadenza mensile in corso d’opera e nel primo anno successivo alla realizzazione delle opere- misure con cadenza trimestrale nella fase di monitoraggio post operam


6. gallerie

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