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Titolo: Trattamenti di stabilizzazione del terreno davanti al fronte di scavo di una galleria il cui lo scavo viene eseguito mediante una TBM di Lamanna Luigi Franco (5) Title of the article: Ground stabilization treatments in front of the excavation face of a tunnel whose excavation is carried out by means of a TBM by Lamanna Luigi Franco (5) Premessa Nella costruzione e progettazione di una galleria, non si può prescindere lo studio preliminare dell’ammasso roccioso lungo il suo tracciato perché bisogna, innanzitutto, anche nella prima fase della progettazione, considerare i diversi aspetti: quelli funzionali, ambientali, sociali, economici, ecc. Comunque, la parte fondamentale è data dal comportamento delle formazioni geologiche, anche in relazione all’ acqua, che vanno studiate ed analizzate sia dal punto di vista geologico che geotecnico. Questi sono i fattori più importanti da considerare sia in fase di progetto che di costruzione di una galleria. In particolare: - attraversamento di faglie e zone milonitizzate con presenza di terreno a comportamento fluido-plastico; - forti venute di acqua; - afflussi di gas. Questi sono le situazioni che si possono presentare e provocare l’interruzione delle operazioni di avanzamento dello scavo per settimane e/o mesi ricordando che in passato, spesso simili situazioni, hanno provocato il blocco e anche la perdita della TBM.

Foto di una galleria in costruzione / Photo of a gallery under construction a)- Indagine del terreno Allo stesso modo come per gli altri lavori necessari nella costruzione di una galleria, come per gli studi di geotecnica per il calcolo del sostegno, la scelta delle attrezzature, la scelta del metodo dell’insieme dei metodi del trattamento del terreno si basa sia sull’indagine che si porta avanti in situ, sia dalle informazioni che si ottengono dai campionamenti delle carote esaminate in laboratorio.

L’indagine deve comprendere le seguenti tre fasi: 1. uno studio geologico; 2. uno studio geotecnico; 3. uno studio idrogeologico della zona. a.1) - Indagine geologica Il riconoscimento geologico deve includere la geologia generale della zona con le sue caratteristiche tettoniche, la determinazione dei tipi di fessure, i piani di discontinuità, le inclinazioni, le zone con poca resistenza, in maniera che tramite dei procedimenti di iniezione si ottenga un’ottima interruzione di queste zone di rocce alterate. A tal fine sono particolarmente importanti i contributi della petrografia (1) e della sedimentologia (2) che consentono di inquadrare l’ambiente geologico di formazione del materiale. Comunque, la struttura geologica è uno dei fattori che più influiscono sulla stabilità di uno scavo della galleria. In particolare, in presenza di rocce ripiegate e stratificate, la giacitura degli strati condiziona i diversi modi di comportamento rispetto alla stabilità della galleria stessa, a seconda dei seguenti fattori: a. giacitura della struttura rispetto alla sezione della galleria; b. direzione della stratigrafia rispetto all’asse della galleria; c. tipo di pieghe (sinclinale o anticlinale). a.2) - Indagine geotecnica Le indagini geotecniche realizzate tramite trivellazioni consistono nel recupero di carote di terreno/roccia e dei campioni ottenuti dai sondaggi. Unitamente all’insieme dei dati di perforazione e dei livelli piezometrici, hanno come scopo principale, la determinazione delle caratteristiche della massa rocciosa o la classe granulometrica dei terreni/rocce e fissare il livello dell’acqua sotterranea presente lungo il tracciato di costruzione della galleria. Questi è uno dei fattori di maggiore incidenza sul comportamento geotecnico dei materiali. Comunque, queste indagini devono essere integrate da prove geotecniche di laboratorio su campioni estratti con modalità tali da non alterare le caratteristiche delle rocce sciolte. a.3) - Indagine idrogeologica L’indagine sulla presenza dell’acqua sotterranea si indirizza verso lo studio chimico della stessa acqua o sulla sua qualità, la determinazione dei livelli piezometrici e nella valutazione anche della permeabilità dei terreni e/o degli ammassi rocciosi. E’ importante ricordare che la presenza di acqua sotterranea o di acqua interstiziale a pressione elevata favorisce enormemente lo sviluppo dei fenomeni deformativi e della pressione dell’ammasso. Ciò è confermato dagli effetti del drenaggio negli ammassi rocciosi, dove spesso viene realizzato attraverso un foro pilota o un cunicolo laterale scavato in anticipo. b) – Iniezione nel terreno L’iniezione (3), come sistema per migliorare e trattare il terreno, è oggi come oggi uno dei metodi più utilizzati in tutti i tipi di opere civili e specialmente in quelle sotterranee. Consiste nel processo attraverso il quale si vuole iniettare un fluido (sospensioni, soluzioni, miscele espanse) nel terreno ad una certa pressione ottenendo, tramite il riempimento delle fessure e delle rocce, spostando il materiale già esistente e sostituendo o formando un misto con il terreno originale, un miglioramento delle caratteristiche meccaniche (resistenza e deformabilità) ed idrauliche (permeabilità) di corpi solidi porosi, fessurati o grandi cavità nella zona da trattare o ad intercalazioni limo-argillose nell’ambito di terreni permeabili.

L’iniezione si realizza con materiali che vanno dal cemento puro con acqua, miscela di cemento con cemento o argilla, prodotti chimici con un reazione a tempo determinato, pozzolane e combinazioni di tutti questi prodotti con altri inserimenti come ad esempio la sabbia quale elemento di carica. Lo scopo principale della iniezione di una miscela cementizia e/o resinosa è quello di facilitare il meccanismo di trasferimento del carico dell’ammasso roccioso all’ancoraggio. La funzionalità di una miscela è dipendente da numerosi fattori quali: -

pompabilità; capacità di mantenere buone caratteristiche meccaniche in caso di aumento del rapporto Acqua/Cemento (nel caso di una miscela cementizia); consistenza, stabilità e abilità di rimanere nel foro; stabilità senza effetti di separazione (liquido/inerti); espandibilità (miscela resinosa); sviluppo della resistenza ad una determinata temperatura entro un tempo desiderato.

Comunque l’oggetto del presente articolo è quello di illustrare l’ impiego dei prodotti e/o miscele resinose. c) - Breve sintesi dell’intervento di consolidamento in una zona di faglia Oggi, con le esperienze maturate, nel corso degli anni, in tema di costruzione di gallerie, sono state formulate una nuova generazione di resine da iniezioni reattive con l’acqua e non, che permettono di bloccare l’acqua, penetrare nelle formazioni di argilliti facendo aumentare la coesione del terreno tanto da bloccare i cedimenti del fronte di scavo.

Come noto, l’improvvisa “venuta” in galleria di una enorme quantità di materiali incoerenti danno luogo a gravi manifestazioni d’instabilità, quali il crollo del fronte di scavo, con la possibile estensione del fenomeno molte volte sino in superficie (creazione di un vuoto, il cosiddetto “fornello” ), provocando nello stesso tempo il fermo di avanzamento dello stesso scavo meccanizzato, effettuato mediante fresa meccanica del tipo a piena sezione con scudo di testa TBM o EPB-Shield [*].

Void filled with resin

Injection of resin type SILEX-330-FOAM

Fig. 2 - Esempio di trattamento di stabilizzazione del fronte di scavo a seguito di collasso del terreno (fornello) / Example of stabilization treatment of the excavation face following collapse of the soil (Grandori, Romualdi,2004)

Oggi, per risolvere questo grosso problema, possiamo contare su una vasta gamma di nuovi materiali per la stabilizzazione del terreno del fronte di scavo da applicare secondo delle fasi operative di seguito illustrate. c.1) - Fasi operative del fronte di scavo Andrò a descrivere metodi e materiali da impiegare per risolvere il problema illustrato in forma esemplificativa nella figura 2. 1. collasso della roccia con possibilità di un rilascio verticale o subverticale (fornello e/o vuoto); 2. a questo punto la macchina TBM viene automaticamente fermata e spostata all’indietro in modo da permettere un pre-contenimento del materiale venuto con il metodo dello Spritz-Beton; 3. si effettua una prima azione di contenimento, si praticano alcuni fori esplorativi e contemporaneamente si effettua la pulizia della macchina TBM; 4. dopo avere stabilizzato in una prima fase il materiale collassato davanti al fronte di scavo ed individuato il vuoto (fornello), si può procedere alla perforazione dei fori di iniezione con diametro pari a 40 mm realizzati in angolo di circa 45° rispetto all’asse della galleria e di lunghezza variabile dai 4 sino ai 20 m; 5. successivamente in questa fase si procede all’iniezione di una miscela resinosa per bloccare il materiale nella discontinuità, questi si espande (sino a 30/40 volte) e matura velocemente trasformandosi da liquido in una schiuma rigida di poliuretano a celle chiuse. Le caratteristiche di resistenza e densità verranno mantenute nel tempo. La resina inoltre può scorrere anche sino a 25/50 metri dal punto in cui avviene la miscelazione.

una ridotta permeabilità con un aumento della stabilità del fronte di scavo; una proprietà di deformazione plastica del terreno, esercitando contemporaneamente sul supporto una pressione uniforme che favorisce il sostegno del fronte di scavo; una ridotta abrasività dei terreni in corrispondenza della testa rotante della fresa e/o del terreno scavato anche in prossimità della coclea di carico facilitando l’operazione di smarino (terreno/roccia di risulta); una ridotta coesività e/o collosità in presenza di un fronte di scavo in materiale argilloso piuttosto rigido (spesso i detriti di scavo in argilla arrestano l’avanzamento della fresa e contemporaneamente della coclea di carico dello smarino, in questo caso si inietta sul fronte dello scavo un agente schiumogeno condizionante che forma una pellicola attorno alle particelle detritiche impedendone la coagulazione).

Fig. 4 - Illustrazione grafica delle fasi operative / Graphic illustration of the operational phase 6. a questo punto la TBM è in grado di proseguire la perforazione attraverso il materiale stabilizzato, come si trattasse roccia Ovviamente le situazioni che possono presentarsi sono le più varie ed ognuna richiederà una soluzione specifica (zona da trattare, modalità e profondità di iniezione); ad esempio potrebbe non essere possibile spostare all’indietro la macchina prima di aver stabilizzato il terreno, per evitare venute eccessive di materiale, oppure esserci improvvise e impreviste venute d’acqua che potrebbero danneggiare anche in parte i motori elettrici della fresa. c.2) – Descrizione della resina poliuretanica espansiva La resina poliuretanica è un formulato del tipo silicon-mineral-organico bicomponente, ad elevata capacità di espansione, bassa viscosità, eccellente resistenza meccanica e stabilità chimica; le particolari caratteristiche del prodotto sono quelle per il consolidamento di rocce e terreni friabili, il riempimento di fessure e cavità, migliorare la coesività del suolo nonché per il convogliamento di acqua nelle zone di falda. La reazione, irreversibile, dopo la miscelazione tra i due componenti “A “ e “B” della resina poliuretanica, avviene in tempi molto brevi (20-25’ a +20°C), con un’espansione della massa sino a 30-40 volte il volume iniziale. Il fattore di espansione, e di conseguenza il potere consolidante, è determinato dalle dimensioni delle cavità che si intendono riempire/sigillare e dalla pressione di iniezione che viene impiegata. La presenza di acqua (ferma o corrente), o condizioni climatiche avverse, non influenzano sensibilmente il decorso della reazione, il cui prodotto possiede natura prevalentemente inorganica, autoestinguenza, ed assoluta atossicità ed assenza di proprietà inquinanti. Caratteristiche tecniche della resina poliuretanica ( a + 20° C e 60 % U.R.) “SILEX 330 FOAM” [**] Natura chimica componente “A” silicati inorganici in soluzione acquosa, additivati di ammine terziarie, catalizzatori, parzialmente reagiti con polidimetilsilossani Natura chimica componente “B” difenilmetan4,4 diisocianato, prevalentemente polimerico, più additivi siliconici Peso specifico componente “A” 1,310 ± 0,020 kg/dm³ Peso specifico componente “B” 1,230 ± 0,050 kg/dm³ Viscosità componente “A” 60 ± 30 mPa.s Viscosità componente “B” 250 ± 30 mPa.s pH componente “A” 11,5 ± 0,5 pH componente “B” neutro Colore componente “A” giallo-rossastro Colore componente “B” bruno scuro Rapporto di miscelazione 100 + 100 parti peso/volume Applicazione ad iniezione, con apposite attrezzature, a pressioni sino a 100 atm Inizio della reazione 20 – 30“ Reazione completa dopo 2 – 3’ Esotermia di reazione max 90 – 100°C (su massa di 200 gr) Resistenza a compressione da 1 kg/cm² a 180 kg/cm², secondo il fattore di espansione

Tabella 1 – Caratteristiche della resina tipo “SILEX-330-FOAM” / Characteristics of the resin type "SILEX-330-FOAM" Sulla base di quanto illustrato in questa prima parte è importante evidenziare che l’incontro di condizioni idrogeologiche (fronte sabbioso o argilloso) diverse dal previsto possono provocare l’interruzione delle operazioni di avanzamento dello scavo per diversi giorni; conseguentemente, se un tunnel attraversa per ipotesi terreni scadenti per un 10% e per il restante 90% terreni ottimi, il tratto con caratteristiche peggiori può richiedere anche la metà del tempo necessario per lo scavo dell’intero tunnel con un costo totale di scavo maggiore di quello previsto in sede progettuale. E volendo sintetizzare occorre prevedere, in termini di probabilità i tempi ed i costi di scavo, sulla base della nostra conoscenza statistica dei parametri che caratterizzano la presenza di queste anomalie geomeccaniche differenti senza dimenticare che in larga misura dipendono dalle distribuzioni (casuale) e dalle caratteristiche rocciose attraversate. d) - Breve sintesi dell’intervento di consolidamento in una zona di faglia in presenza di venute d’acqua Un’altro degli aspetti più importanti durante le fasi di scavo di una galleria a foro cieco in una zona di faglia sono le venute d’acqua la cui presenza, molte volte, non è stata individuata dai fori di sondaggio. Oltre a provocare disagio nell’ambiente di lavoro, queste determinano instabilità, specialmente in terreni difficili. Si rende allora necessario adottare degli accorgimenti particolari come la immediata fermata della fresa, fare dei fori investigativi per avere informazioni sulla natura del materiale e l’estensione della zona di faglia, successivamente procedere ad una impermeabilizzazione e consolidamento attraverso iniezioni, di fori suborizzontali a raggiera (n° 8 ÷ 10 fori, inclinati da 3° ÷ 12°), di resina poliuretanica monocomponente idroreattiva tipo PU-8402-FOAM [**] (oppure una formulazione modificata denominata tipo PU-8408-FOAM [**] ) e successivamente cercare di stabilizzare il fronte di frana con l’inserimento e l’iniezione della resina (schiuma) organo minerale tipo SILEX-330-FOAM [**].

PROBE HOLES

INTERCEPTED GEOLOGICAL ANOMALY

TBM

La particolarità di questo nuovo prodotto del tipo PU-8408-FOAM [**] è quella che durante l’iniezione se la resina viene a contatto con l’acqua, aumenta di volume, se non trova l’acqua, indurisce senza schiumare e contemporaneamente spinge il materiale poroso negli strati più interni formando uno strato impermeabile e compatto di spessore variabile. Inoltre, la presenza di più faglie estese e qualora si evidenzia una elevata tendenza del fronte a collassare, oltre a quanto precedentemente descritto, occorre creare un ombrello protettivo di consolidamento del fronte sino ed oltre i 3 metri intervenendo sulla roccia sana, iniettando del prodotto tipo SILEX-330-FOAM [**] e se necessario il prodotto tipo SILEX-304-STONE – non espansivo - [**] che, grazie all’elevata fluidità, quest’ultima resina riesce a penetrare anche attraverso fessure di qualche centinaio di micron di ampiezza. Infatti, la miscela di natura resinosa tende a seguire le fessure maggiori, dove le perdite di pressione sono meno elevate, a discapito delle fessure minori che rimangono aperte. Per risolvere ciò occorre interrompere l’iniezione per almeno 5 minuti, aspettare che il prodotto già iniettato catalizzi e ripetere il trattamento fino al raggiungimento della pressione di rifiuto.

APPROACH PHASE WITH RADIAL PERFORATION AND INJECTION

Injection of resin type PU-8402-FOAM

TBM

Fig. 6 - Illustrazione grafica. della fase di avvicinamento con perforazione a raggiera ed iniezione di resina tipo PU-8402-FOAM / Schematic representantion of the approach phase with radial perforation and injection (no. 8 holes) of resin type PU-8402-FOAM [**] d.1) - Alcune considerazioni sull’iniezione della schiuma poliuretanica tipo “PU-8402-FOAM” per bloccare l’acqua sul fronte di scavo La gamma di prodotti poliuretaniche permette il consolidamento strutturale di buona parte dei terreni, ma l’impiego dell’uno o altro prodotto deve essere valutato in cantiere secondo le caratteristiche geomorfologiche che si incontrano. Come già detto, essendo la maggior parte prodotti bi-componenti, essi vanno iniettati mediante apposite pompe con un miscelatore del tipo statico in testa. I tubi di approvvigionamento dei componenti, che sono separati, possono essere lunghi parecchi metri, purché la pompa possegga sufficiente pressione. Inoltre, come sopra accennato, il prodotto tipo “PU-8402-FOAM” [**], essendo un prodotto monocomponente che reagisce solo in presenza di acqua o terreno umido, avendo un pot-life molto lungo (anche per diversi giorni, se conservato all’asciutto), non vi sono limiti di impiego, previa sufficiente pressione di pompaggio, alla lunghezza dei tubi di iniezione. E’ da tenere presente che molti dei prodotti sopra citati sono stati studiati e formulati proprio per il controllo delle venute d’acqua (water-inflows) nei tunnels, nelle miniere e nelle opere sotterranee in generale.

Ripeto, il prodotto del tipo “PU-8402-FOAM” è un formulato di resina poliuretanica progettata specificatamente per il rapido bloccaggio dell’acqua durante la fase di scavo con frese TBM-EPB. Quando il formulato entra in contatto con l’acqua, si verifica rapidamente una reazione chimica che conduce alla formazione di una schiuma consolidante a celle chiuse, caratterizzata da assoluta impermeabilità e stabilità chimica. Faccio notare che durante applicazioni pratiche di cantiere, per consentire l’avanzamento dello scudo, anche in terreni difficili e con forte venute d’acqua, il fattore di espansione è legato alla quantità di catalizzatore introdotto (in quanto il prodotto tipo “PU-8402-FOAM” è un prodotto monocomponente che reagisce solo in presenza di acqua; se non c’è presenza di acqua questi rimane stabile, sotto forma di gel, per parecchi anni), e di conseguenza il potere di bloccaggio dell’acqua, è determinato dalle quantità di acqua presente e dalla pressione della stessa e dalla quantità di catalizzatore introdotto (da 1 ÷ 5 %). Caratteristiche tecniche ( a + 20° C e 60 % U.R.) “PU-8402-FOAM” [**] Componente “Base” Peso specifico (kg/dmᶾ) 1,195 ± 0,02 Rapporto di miscelazione

Catalizzatore

Tempo di reazione

1,06 ± 0,02 da 100: 1 a 100:5 secondo la velocità di reazione desiderata 100 + 1 parti in peso: da 3 ÷ 4 minuti

Temperatura di esercizio

100 + 2 parti in peso: da 1 ÷ 2 minuti 100 + 5 parti in peso: da 20 ÷ 30 secondi - 30° C ÷ + 80° C

Deformazione alla rottura a 7 gg

5±1

Tabella 2 – Caratteristiche della resina tipo “PU-8402-FOAM” / Characteristics of the resin type "PU-8402-FOAM" Vale la pena ricordare che la presenza di forti venute d’acqua può portare una TBM ai limiti di funzionamento, specialmente se associate ad un elevato trasporto solido di sabbie e fanghi, mettendo a rischio tutte le parti elettriche, oltre ad esaltare tutti i fenomeni di instabilità ad essa connessi. Caratteristiche tecniche ( a + 20° C e 60 % U.R.) PU-8408-FOAM Componente “A” Peso specifico (kg/dmᶾ) Viscosità (mPas) pH Rapporto di miscelazione Inizio della reazione Reazione completa Resistenza a compressione (kg/cm²)

1,070 ± 0,03 300 ± 50 11,5 ± 0,5

Componente “B” 1,230 ± 0,05 200 ± 50 neutro 100 + 115 parti in peso / 100 + 100 parti in volume 5 ÷ 10 secondi Dopo 3 ÷ 5 minuti 10 ÷ 180, secondo il fattore di espansione (15 ÷ 25 volte il volume iniziale)

La reazione indurimento/schiuma tura avviene in tempi molto brevi ma per particolari esigenze o in caso di basse temperature di applicazione si può accelerare mediante l’introduzione, nel componente “A” di un catalizzatore nell’ordine dello 0,5 ÷ 1 % in peso. Tabella 3 – Caratteristiche della resina tipo “PU-8408-FOAM” / Characteristics of the resin type "PU-8408-FOAM"

Injection of resin type SILEX-330-FOAM

TBM

Fig. 7 - Illustrazione grafica. della fase di avvicinamento con perforazione a raggiera ed iniezione di resina tipo PU-8402-FOAM / Schematic representation of the approach phase to 3-5 m. with radial perforationand injection (no. 12 holes) of resin type SILEX-330-FOAM [**] Le informazioni descritte in questa esperienza di studio mi ha portato a concludere che gli interventi di iniezione di consolidamento e di impermeabilizzazione in ambiente sotterraneo, specialmente quelli prossimi a fonti idriche destinate al consumo umano, impongono una maggiore attenzione e conoscenza nella scelta dei prodotti da iniettare. Infatti, il problema delle venute d’acqua in galleria e in generale nei lavori in sottosuolo, non deve essere visto solo come una causa di ritardo o di aumento dei costi in corso d’opera, ma un’azione di risanamento e di prevenzione al fine di rendere il nostro intervento compatibile con la tutela dell’ambiente.

Water bearing zone Injection of resin type PU-8402-FOAM

Injection of resin type SILEX-330-FOAM

TBM

Probe drillhole

Fig. 8 - Lo schizzo illustra la risoluzione e l'avanzamento di un caso reale per la presenza di grandi quantità di acqua in un ammasso roccioso di gneeiss / The sketch illustrates the resolution and progress of a real case for the presence of large quantities of water in a rock mass of gneeiss e) – Conclusioni La progettazione e costruzione di una galleria, come abbiamo sopra accennato in questa memoria, è condizionata da molteplici fattori che possono variare nel tempo in funzione dell’evolvere delle conoscenze prelimari alle fasi finali, consentendo così, molte volte, di adattare il progetto alle condizioni geologicotecniche che via via si incontrano. La convenienza di eseguire interventi di consolidamento, da definirsi in funzione delle caratteristiche geologiche ed anche dalle modalità e metodi di scavo, costituiscono lo strumento fondamentale per conservare l’integrità del nucleo al fronte e consentire l’avanzamento in un mezzo che non sia già collassato. Lo studio delle condizioni di stabilità del fronte di scavo, è particolarmente importante per le gallerie, specialmente in prossimità della superficie ed in terreni difficili, e rappresenta dunque un problema complesso, che può essere studiato in modo rigoroso mediante modellazione numerica tridimensionale. Un approccio puramente analitico al problema di stabilità del fronte prevede il ricorso ai teoremi dell’analisi limite della teoria della plasticità, in modo da determinare un limite superiore ed uno inferiore del carico di collasso. Comunque, come da conoscenza sull’argomento, sappiamo che durante una fase di scavo possono essere adottate diversi tipi di miscele chimiche resinose (espansive e non), sia in fase di pre-grouting che post-grouting (4), a seconda dello scopo e del trattamento che si riterrà più idoneo. Vorrei continuare a sottolineare che la serie di schiume chimiche sopra descritte possono essere sovrapposti ad alternanza di diversi cicli di perforazione e trattamento conservandosi inalterate nel tempo, dopo la fase di indurimento o presa di ciascun prodotto (figg. 7 e 8). L’importante è sapere che le modalità esecutive dell’iniezione influenzano il risultato in termini di proprietà chimico-fisiche e meccaniche, infatti quest’ultime aumentano all’aumentare del tasso di riempimento dei vuoti, che è legato direttamente alla maglia di perforazione, alla pressione, al tipo di miscela introdotta ed alla durata dell’iniezione. Inoltre, l’iniezione di queste specifiche miscele implica quasi sempre una modificazione localizzata del terreno (sia in fase di consolidamento che d’impermeabilizzazione. Infatti la pressione di fine iniezione è un parametro direttamente correlato alla resistenza meccanica conferita al terreno), anche se bisogna porre particolare attenzione, alle “schiume” sopra indicate, facendo presente che non inquinano il terreno, specialmente in presenza di falde acquifere. In linea generale, è necessario ricordare che è fondamentale lo studio dell’impatto ambientale dei trattamenti d’iniezione, senza prescindere dall’analisi caso per caso dei componenti delle “schiume” impiegate e delle loro interazioni reciproche con i costituenti del terreno. La scelta fra i differenti sistemi di iniezioni/impermeabilizzazione/consolidamento è sostanzialmente dettata dalle caratteristiche geotecniche e geomeccaniche del terreno e del rapporto costo/benificio dell’intervento. Voglio concludere la trattazione di questo argomento sin qui illustrato, che può sembrare banale anche nell’affermare che le indagini preliminari servono, sia in fase di progettazione sia in fase di costruzione, e che l’applicazione dei procedimenti d’iniezione, i tipi e le caratteristiche di miscele, come le metodologie di appliczione sono essenziali nella realizzazione di una galleria. Comunque, prometto di proseguiremo in successivi articoli, ad approfondire il problema, in particolar modo: le tecniche di scavo e quelle di consolidamento dove, ogni singola fase di intervento, assume un’importanza essenziale per il risultato finale dell’opera.

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Premise In the construction and design of a tunnel, the preliminary study of the rock mass along its route cannot be ignored because it is necessary, first of all, even in the first phase of the design, to consider the various aspects: functional, environmental, social, economic, etc. . However, the fundamental part is given by the behavior of the geological formations, also in relation to water, which must be studied and analyzed both from a geological and geotechnical point of view. These are the most important factors to consider both in the design and construction phase of a tunnel. In particular:

Foto di una galleria in costruzione / Photo of a gallery under construction - crossing of faults and milonitized areas with the presence of fluid-plastic soil; - strong floods of water; - gas inflows. These are the situations that can arise and cause the interruption of the excavation progress operations for weeks and / or months, remembering that in the past, often similar situations, have caused the blockage and also the loss of the TBM. a)- Land survey In the same way as for the other works necessary in the construction of a tunnel, as for the geotechnical studies for the calculation of the support, the choice of equipment, the choice of the method of the set of methods of soil treatment is based on both the investigation that is carried out in situ, both from the information obtained from the samples of the carrots examined in the laboratory. The investigation must include the following three phases: 1. a)- geological study; 2. a)- geotechnical study; 3. a). hydrogeological study of the area. a.1) - Geological survey The geological recognition must include the general geology of the area with its tectonic characteristics, the determination of the types of cracks, the planes of discontinuity, the inclinations, the areas with little resistance, so that through the injection procedures an excellent interruption of these areas of weathered rocks. To this end, the contributions of petrography (1) and sedimentology (2) are particularly important, which allow to frame the geological environment of the material formation. However, the geological structure is one of the factors that most affect the stability of a tunnel excavation. In particular, in the presence of folded and stratified rocks, the position of the layers conditions the different behavior modes with respect to the stability of the tunnel itself, depending on the following factors:

a. position of the structure with respect to the tunnel section; b. direction of the stratigraphy with respect to the axis of the tunnel; c. type of folds (syncline or anticline).

Fig. 1 - Resina (schiuma) organo minerale, altamente reattiva, bicomponente, per il riempimento di vuoti e cavità in terreni stratificati e rocce / Organic mineral foam, fire resistant, excellent chemical stability and mechanicl resistance (Type SILEX-330-FOAM produced by CHEMIX [*] ) a.2) - Geotechnical survey The geotechnical investigations carried out through drilling consist in the recovery of soil / rock cores and samples obtained from the boreholes. Together with the set of drilling data and piezometric levels, their main purpose is to determine the characteristics of the rock mass or the granulometric class of soils / rocks and to fix the level of groundwater present along the tunnel construction path. This is one of the major factors affecting the geotechnical behavior of materials. However, these investigations must be supplemented by geotechnical laboratory tests on samples extracted in such a way as not to alter the characteristics of the melted rocks. a.3) - Hydrogeological survey The investigation of the presence of groundwater is directed towards the chemical study of the water itself or its quality, the determination of the piezometric levels and the evaluation of the permeability of soils and / or rock masses. It is important to remember that the presence of underground water or interstitial water at high pressure greatly favors the development of deformation phenomena and the pressure of the mass. This is confirmed by the effects of drainage in rock masses, where it is often done through a pilot hole or a side tunnel dug in advance. b) - Injection into the ground Injection (3), as a system to improve and treat the soil, is today one of the most used methods in all types of civil works and especially in underground ones. It consists of the process through which you want to inject a fluid (suspensions, solutions, expanded mixtures) into the ground at a certain pressure, obtaining, by filling the cracks and rocks, moving the existing material and replacing or forming a mixture with the ground original, an improvement in the mechanical (resistance and deformability) and hydraulic (permeability) characteristics of porous solid bodies, cracks or large cavities in the area to be treated or in silt-clayey intercalations in permeable soils. The injection is made with materials ranging from pure cement with water, a mixture of cement with cement or clay, chemical products with a fixed-time reaction, pozzolans and combinations of all these products with other insertions such as sand as an element of charge.

The main purpose of the injection of a cement and / or resinous mixture is to facilitate the mechanism for transferring the load of the rock mass to the anchor. The functionality of a blend is dependent on numerous factors such as: - pumpability; - ability to maintain good mechanical characteristics in the event of an increase in the Water / Cement ratio (in the case of a cement mixture); - consistency, stability and ability to stay in the hole; - stability without separation effects (liquid / inert); - expandability (resinous mixture); - development of resistance at a given temperature within a desired time. However, the object of this article is to illustrate the use of resinous products and / or mixtures.

Void filled with resin

Injection of resin type SILEX-330-FOAM

c) - Brief summary of the consolidation intervention in a fault zone Today, with the experience gained over the years, in the field of tunnel construction, a new generation of resins have been formulated from reactive injections with and without water, which allow to block the water, penetrate into the shale formations by increasing the cohesion of the ground so as to block the subsidence of the excavation face. As is known, the sudden "arrival" in the tunnel of an enormous quantity of incoherent materials gives rise to serious manifestations of instability, such as the collapse of the excavation face, with the possible extension of the phenomenon many times up to the surface (creation of a cavity, the so-called “cavity”), causing at the same time the advancement stop of the mechanized excavation, carried out by means of a full section mechanical cutter with TBM or EPB-Shield head shield [*]. Today, to solve this big problem, we can count on a wide range of new materials for the ground stabilization of the excavation face to be applied according to the operating phases illustrated below.

Fig. 3 - Esempio di pre-trattamento del fronte di scavo a seguito di collasso del terreno / Example of pretreatment of the excavation face with fiberglass elemets following collapse of the ground (Grandori, Romualdi,2004) c.1) - Operational phases of the excavation face I will describe the methods and materials to be used to solve the problem illustrated in exemplary form in Figure 2. 1. collapse of the rock with the possibility of a vertical or sub-vertical release (cavity); 2. at this point the TBM machine is automatically stopped and moved backwards in order to allow precontainment of the material coming with the Spritz-Beton method; 3. a first containment action is carried out, some exploratory holes are made and at the same time the TBM machine is cleaned; 4. after having stabilized in a first phase the collapsed material in front of the excavation face and having identified the void (cavity), the injection holes with a diameter of 40 mm can be drilled at an angle of approximately 45 ° with respect to the axis of the tunnel and of variable length from 4 to 20 m; 5. subsequently, in this phase, a resinous mixture is injected to block the material in the discontinuity, it expands (up to 30/40 times) and matures quickly, transforming itself from liquid into a rigid closed-cell polyurethane foam. The characteristics of strength and density will be maintained over time. The resin can also flow up to 25/50 meters from the mixing point. Resinous mixtures give the soil: - a reduced permeability with an increase in the stability of the excavation face; - a property of plastic deformation of the ground, simultaneously exerting a uniform pressure on the support which favors the support of the excavation face; - reduced abrasiveness of the soil in correspondence with the rotary head of the tiller and / or the excavated soil also in the vicinity of the loading auger, facilitating the excavation operation (resulting soil / rock); - a reduced cohesiveness and / or stickiness in the presence of an excavation face in rather rigid clay material (clay excavation debris often stops the advancement of the cutter and at the same time of the auger loading the spoil, in this case it is injected on the face of the excavation a conditioning foaming agent that forms a film around the debris particles preventing them from coagulation). 6. at this point the TBM is able to continue drilling through the stabilized material, as if it were rock. Obviously the situations that may arise are the most varied and each one will require a specific solution (area to be treated, method and depth of injection); for example, it may not be possible to move the machine backwards before having stabilized the ground, to avoid excessive incoming of material, or there may be sudden and unforeseen water flows which could also partially damage the electric motors of the tiller.

Fig. 4 - Illustrazione grafica delle fasi operative / Graphic illustration of the operational phase c.2) - Description of the expansive polyurethane resin The polyurethane resin is a bi-component silicone-mineral-organic formulation, with high expansion capacity, low viscosity, excellent mechanical resistance and chemical stability; the particular characteristics of the product are those for the consolidation of rocks and friable soils, the filling of cracks and cavities, improving the cohesion of the soil as well as for conveying water in the groundwater areas. The irreversible reaction, after mixing the two components "A" and "B" of the polyurethane resin, occurs in a very short time (20-25' at + 20° C), with an expansion of the mass up to 30- 40 times the initial volume. The expansion factor, and consequently the consolidating power, is determined by the size of the cavities to be filled / sealed and by the injection pressure used. The presence of water (still or running), or adverse climatic conditions, do not significantly influence the course of the reaction, the product of which has a predominantly inorganic nature, self-extinguishing, and absolute non-toxicity and absence of polluting properties.

PROBE HOLES

INTERCEPTED GEOLOGICAL ANOMALY

TBM

Fig. 5 - Illustrazione grafica di scavo in prossimità di una faglia. Intercettazione della faglia /Schematic representation of excavation near a fault. Interception of the fault. Unstable material: clay, sand, debris, ect. Based on what is illustrated in this first part, it is important to highlight that the meeting of hydrogeological conditions (sandy or clayey front) other than expected can cause the interruption of the excavation progress operations for several days; consequently, if a tunnel hypothetically crosses poor soil for 10% and for the remaining 90% excellent soils, the section with worse characteristics may require even half the time necessary for the excavation of the entire tunnel with a higher total cost of excavation than that foreseen in the planning stage. And to summarize it is necessary to predict, in terms of probability, the times and costs of excavation, on the basis of our statistical knowledge of the parameters that characterize the presence of these different geomechanical anomalies without forgetting that to a large extent they depend on the (random) distributions and on the characteristics rocks crossed. d) - Brief summary of the consolidation intervention in a fault area in the presence of large water ingress Another of the most important aspects during the excavation phases of a blind hole tunnel in a fault zone are the water flows whose presence, many times, has not been identified by the boreholes. In addition to causing discomfort in the work environment, these cause instability, especially in difficult terrain. It is therefore necessary to adopt particular measures such as the immediate stop of the cutter, make investigative holes to get information on the nature of the material and the extent of the fault zone, then proceed with a waterproofing and consolidation through injections, of sub-horizontal holes radial pattern (nr. 8 ÷ 10 holes, inclined from 3° ÷ 12°), of one-component hydro-reactive polyurethane resin type PU8402-FOAM [**] (or a modified formulation called type PU-8408-FOAM [* *]) and then try to stabilize the landslide front by inserting and injecting the resin (foam) mineral organ such as SILEX-330-FOAM [**]. APPROACH PHASE WITH RADIAL PERFORATION AND INJECTION

Injection of resin type PU-8402-FOAM

TBM

The peculiarity of this new PU-8408-FOAM [**] type product is that during injection if the resin comes into contact with water, it increases in volume, if it does not find water, it hardens without foaming and at the same time it pushes the porous material into the innermost layers forming an impermeable and compact layer of variable thickness. Furthermore, the presence of several extended faults and if there is a high tendency of the front to collapse, in addition to what has been previously described, it is necessary to create a protective umbrella for consolidation of the front up to and beyond 3 meters by intervening on the healthy rock, injecting the type product SILEX-330-FOAM [**] and if necessary the SILEX-304-STONE type product - non-expansive - [**] which, thanks to its high fluidity, the latter resin is able to penetrate even through cracks of a few hundred microns in amplitude. In fact, the mixture of a resinous nature tends to follow the major cracks, where the pressure losses are less high, to the detriment of the minor cracks which remain open. To solve this, it is necessary to stop the injection for at least 5 minutes, wait for the already injected product to catalyze and repeat the treatment until the rejection pressure is reached.

Injection of resin type SILEX-330-FOAM

TBM

d.1) - Some considerations on the injection of polyurethane foam type "PU-8402-FOAM" to block the water on the excavation face The range of polyurethane products allows the structural consolidation of a large part of the land, but the use of one or other product must be evaluated on site according to the geo-morphological characteristics encountered. As already mentioned, since most of the products are bi-components, they must be injected by means of special pumps with a static mixer in the head. The component supply pipes, which are separated, can be several meters long, as long as the pump has sufficient pressure. Furthermore, as mentioned above, the product type "PU-8402-FOAM" [**], being a single-component product that reacts only in the presence of water or moist soil, having a very long pot-life (even for several days, if stored in a dry place), there are no limits of use, subject to sufficient pumping pressure, to the length of the injection pipes.

It should be borne in mind that many of the aforementioned products have been studied and formulated precisely for the control of water inflows in tunnels, mines and underground works in general.

Water bearing zone Injection of resin type PU-8402-FOAM

Injection of resin type SILEX-330-FOAM

TBM

Probe drillhole Fig. 8 - Lo schizzo illustra la risoluzione e l'avanzamento di un caso reale per la presenza di grandi quantità di acqua in un ammasso roccioso di gneeiss / The sketch illustrates the resolution and progress of a real case for the presence of large quantities of water in a rock mass of gneeiss I repeat, the "PU-8402-FOAM" type product is a polyurethane resin formulation designed specifically for the rapid blocking of water during the excavation phase with TBM-EPB cutters. When the formulation comes into contact with water, a chemical reaction rapidly occurs which leads to the formation of a closed cell consolidating foam, characterized by absolute impermeability and chemical stability. I point out that during practical applications on site, to allow the advancement of the shield, even in difficult soils and with strong water flows, the expansion factor is linked to the quantity of catalyst introduced (since the product type "PU-8402 -FOAM "is a single-component product that reacts only in the presence of water; if there is no water, it remains stable, in the form of a gel, for several years), and consequently the blocking power of water is determined the quantity of water present and its pressure and the quantity of catalyst introduced (from 1 ÷ 5%). It is worth remembering that the presence of strong water flows can bring a TBM to its operating limits, especially if associated with a high solid transport of sand and sludge, putting all electrical parts at risk, as well as enhancing all the phenomena of instability related to it. The information described in this study experience led me to conclude that the consolidation and waterproofing injection interventions in an underground environment, especially those close to water sources intended for human consumption, require greater attention and knowledge in the choice of products to be injected. In fact, the problem of water flows in tunnels and in general in underground works, must not be seen only as a cause of delay or increase in costs during construction, but an action of rehabilitation and prevention of in order to make our intervention compatible with environmental protection.

e) – Conclusions The design and construction of a tunnel, as we have mentioned above in this memoir, is conditioned by multiple factors that can vary over time according to the evolution of knowledge prior to the final stages, thus allowing, many times, to adapt the project to the conditions geological-techniques that gradually meet. The convenience of carrying out consolidation interventions, to be defined according to the geological characteristics and also by the excavation methods and methods, are the fundamental tool for maintaining the integrity of the core at the face and allowing the advancement in a vehicle that has not already collapsed . The study of the stability conditions of the excavation face is particularly important for tunnels, especially near the surface and in difficult terrain, and therefore represents a complex problem, which can be rigorously studied by three-dimensional numerical modeling. A purely analytical approach to the front stability problem involves the use of the limit analysis theorems of the theory of plasticity, in order to determine an upper and a lower limit of the collapse load. However, as per knowledge on the subject, we know that during an excavation phase different types of resinous chemical mixtures (expansive or not) can be adopted, both in the pre-grouting and post-grouting phase (4), depending on the purpose and the treatment which will be deemed more suitable. I would like to continue to underline that the series of chemical foams described above can be superimposed by alternating different cycles of perforation and treatment, remaining unaltered over time, after the hardening or setting phase of each product (figs. 7 and 8). The important thing is to know that the execution methods of the injection influence the result in terms of chemical-physical and mechanical properties, in fact the latter increase as the filling rate of the voids increases, which is directly linked to the drilling mesh, to the pressure, the type of mixture introduced and the duration of the injection. Furthermore, the injection of these specific mixtures almost always implies a localized modification of the soil (both in the consolidation and waterproofing phases. In fact, the injection end pressure is a parameter directly related to the mechanical resistance given to the soil), even if it is necessary pay particular attention to the above-mentioned "foams", pointing out that they do not pollute the ground, especially in the presence of aquifers. In general, it is necessary to remember that the study of the environmental impact of injection treatments is essential, without disregarding the case-by-case analysis of the components of the "foams" used and their mutual interactions with the constituents of the soil. The choice between the different injection / waterproofing / consolidation systems is essentially dictated by the geotechnical and geomechanical characteristics of the soil and the cost / benefit ratio of the intervention. I want to conclude the discussion of this topic illustrated so far, which may seem trivial even in stating that preliminary investigations are needed, both in the design and construction phases, and that the application of injection procedures, types and the characteristics of mixtures, such as the application methodologies, are essential in the construction of a tunnel. However, I promise to continue in subsequent articles, to investigate the problem, in particular: the excavation techniques and those of consolidation where, every single phase of intervention, assumes an essential importance for the final result of the work. ….oo0oo….

IT. NOTE: [*] Dalle prime esperienze compiuti negli anni ’70 sino ad oggi, possiamo dire che la tecnologia meccanizzata dello scavo in galleria ha fatto notevoli passi; siamo passati dall’uso di una TBM (Tunnel Boring Machines) a sostegno del fronte mediante pressioni di terra bilanciata all’impiego di una EPB-Shield (Earth Pressare Bilance) con camera di scavo mantenuta in pressione tramite lo stesso materiale scavato (smarino), opportunamente condizionato. Tutte e due contemporaneamente queste macchine realizzano il rivestimento ad anello della stessa galleria con conci prefabbricati in calcestruzzo. [**] Prodotti CHEMIX CHEMIXsrl which is a trade mark of an Italian company. For more information you can write to the following address: info @ chemix.it or consult the author of this short presentation at the following address: lamannaluigifranco1 @ gmail.com. 1)-La Petrografia permette di individuare le rocce in base all’aspetto, alle caratteristiche fisico-chimiche ed alla natura d’origine. 2)-L’esame delle rocce Sedimentarie ci permette di individuare le loro origini, che possono essere di origine meccanica (in particolare quelle argillose), di origine chimica (precipitazione di soluzioni) o di origine organica (accumulo di fossili, di vegetali). 3)-La tecnica di iniezione fu applicata per la prima volta dal francese Berigny nel 1802. Nello scavo meccanizzato mediante TBM EPB, per trattare e stabilizzare il terreno davanti al fronte, si impiegano iniezione di miscele cementizie e chimiche per cementare le fessure, i vuoti e le discontinuità degli ammassi rocciosi, e possono essere effettuati dall’interno con una sonda/infilaggi nel perimetro dello scudo. 4) - La tecnica di perforazione per realizzare gli infilaggi ad ombrello (forepoling) vengono scelte sulla base del tipo di terreno da perforare con macchine montate direttamente all’interno della fresa TBM.

….o0oo…. ENG. NOTE [*] From the first experiences made in the 70s to today, we can say that the mechanized technology of tunnel excavation has made significant progress; we have gone from the use of a TBM (Tunnel Boring Machines) to support the face by means of balanced ground pressures to the use of an EPB-Shield (Earth Pressare Bilance) with an excavation chamber kept under pressure through the same excavated material (mud) , appropriately conditioned. Both of these machines simultaneously carry out the ring lining of the same tunnel with prefabricated concrete segments. [**] CHEMIX products CHEMIX srl which is a trade mark of an Italian company. For more information you can write to the following address: info @ chemix.it or consult the author of this short presentation at the following address: lamannaluigifranco1 @ gmail.com. (1)- Petrography allows you to identify rocks based on their appearance, physico-chemical characteristics and nature of origin.

(2) -Examination of sedimentary rocks allows us to identify their origins, which can be of mechanical origin (in particular clayey ones), of chemical origin (precipitation of solutions) or of organic origin (accumulation of fossils, plants) . (3) -The injection technique was applied for the first time by the Frenchman Berigny in 1802. In the mechanized excavation by TBM EPB, to treat and stabilize the ground in front of the front, injection of cement and chemical mixtures are used to cement the cracks, voids and discontinuities of rock masses, and can be carried out from the inside with a probe / threading in the perimeter of the shield. (4) - The drilling technique for making the umbrella insertions (forepoling) are chosen based on the type of soil to be drilled with machines mounted directly inside the TBM cutter. (5) - Lamanna Luigi Franco INDEPENDENT TECHNICALCONSULTANT Consultant Specialized in Mechanized Tunnelling with Hard Rock TBM and Soft Soil EPB Shields. Expert and Consultant in structural reinforcement of concrete and / or masonry structures, tunneling and mining.

Ground stabilization treatments in front of the excavation face of a tunnel whose excavation is.....