Studio delle interazioni tra la stabilità dei versanti e le opere in sotterraneo in presenza di DGPV

The construction of tunnels in instable areas requires a phase of study to identify the possible interactions between the tunnel and the stability of the slope. Great attention should be paid when the tunnel is built in a site with Deep-Seated Gravitational Slope Deformation (DSGSD). This type of instability is indeed complex and often quiescent, but may reactivate because of the disturbance introduced by the digging of tunnel. This paper analyzes this problem by considering the real case study of the landslide in the slope above Santa Lucia (SO), crossed by the road tunnel “S.S.38 variante di Bormio per Santa Caterina Valfurva e Livigno (lotto6) – Variante Santa Lucia”. The analyzed slope can be also seen as the southernmost point of the DSGSD of Mount Masucco. After having considered studies carried out in similar situations, the area has been contextualized in geological, geomorphological and structural-lithological terms. After the analysis of the general features of the site, it is described the campaign of surveys carried out to characterize the site of the instability. It has been also considered the tunnel project and results of the surveys carried out during its building. Attention is given to the geomorphology and to the data coming from the follow up that allow to hypothesize the shape and kinematics of the landslide. The all information is collected and used to structure a geological and geotechnical model that contain the geomaterials and their stratigraphic arrangement and the mechanical behavior of the identified materials, respectively. All the information gathered in these models are then synthesized in a conceptual model of the area, which is the background to all the analyses. In this paper, it is studied the stability of the slope, considering different scenarios, using a numerical analysis. Two-dimensional numerical analysis was performed in dry conditions by varying the mechanical parameters of resistance of the geomaterials and by considering the unaltered slope and then the one after the tunnel’s realization. The results show that the tunnel modifies the stress state and strain state of the slope, causing the localization of shear stress in deeper areas of the slope and contributing to the formation of a larger unstable volumes. The results also show that in materials with less mechanical strength the tunnel deeply modifies the shape and size of the unstable area, generating a potentially larger landslide volume. In this section, it is also estimated the safety factor of the slope in the various scenarios. The results demonstrate that for the maximum strength parameters the tunnel does not deeply modify the safety factor, on the other hand for minimum strength parameters, the tunnel causes a great reduction. A three-dimensional model has been implemented to investigate the extension and kinematics of the disaster, in order to consider the actual topographical and lithological variations in X, Y and Z. The simulations are carried out in dry conditions considering two scenarios of strength parameters, assuming the unaltered slope and then the one with the tunnel. The three-dimensional model also simulates the excavation of the tunnel for subsequent steps. This situation better approximates the real conditions. These analyses allow to observe the volumetric extension of the landslide which is more dominated by the existence of a weak layer in the slope than by the excavation of the tunnel. Using the maximum mechanical strength parameters, the displacements are not negligible in the lower part of the slope, where the most significant evidence of instability are observed in on-site surveys. The minimum strength scenario shows an instability involving all the slope, which could be the result of the reactivated DSGSD. The execution of the two-dimensional analysis allows to detect the safety factor of the slope and to observe the influence that the digging operations has on the system. Then the three-dimensional analysis allows to identify the extension of the landslide and its depth. The integration of the results obtained with both models allows to understand in detail the landslide and its interactions with the tunnel.

La realizzazione di opere in sotterraneo necessita di una fase di studio volta ad identificare le possibili interazioni tra l’opera e la stabilità del versante che essa attraversa. Particolare attenzione a questa fase di studio deve essere posta nel caso in cui la galleria venga realizzata in contesti in cui è nota la suscettibilità a fenomeni di dissesto, e specialmente se si è in presenza di una Deformazione Gravitativa Profonda di Versante (DGPV), in quanto questa tipologia di instabilità è complessa e spesso quiescente, ma potrebbe riattivarsi in seguito al disturbo introdotto dallo scavo dell’opera. Il presente elaborato analizza questo problema di interazione considerando il caso di studio del dissesto in atto nel versante che sovrasta la Frazione di Santa Lucia (SO), attraversato dalla galleria stradale “S.S.38 variante di Bormio per Santa Caterina Valfurva e Livigno (lotto6) – Variante Santa Lucia”. Il versante analizzato è inoltre interpretabile come l’estremo meridionale della DGPV del Monte Masucco. Dopo aver ricostruito lo stato dell’arte sul tema, che permette di identificare una metodologia di studio adatta, si procede a contestualizzare a grande scala l’area dal punto di vista litologico-strutturale, geologico e geomorfologico. Una volta comprese le caratteristiche generali del sito si descrive la campagna di indagini e rilievi svolti per caratterizzare in dettaglio l’area sede del dissesto, considerando anche le informazioni provenienti dal progetto dell’opera e dai rilievi effettuati durante la sua realizzazione. Particolare riguardo viene dato alla geomorfologia e ai dati di monitoraggio che permettono di ipotizzare la forma e la cinematica del dissesto. Tutte le informazioni ottenute vengono poi raccolte e sintetizzate nel modello concettuale dell’area, che è la base informativa su cui effettuare tutte le analisi. Il modello concettuale contiene infatti tutte le informazioni riguardanti i geomateriali presenti e i parametri meccanici ad essi associati, la stratigrafia e le caratteristiche idrogeologiche e geomorfologiche che permettono di caratterizzare il sito in modo completo. Nel presente elaborato si è deciso di studiare la stabilità del versante per mezzo di analisi numeriche a elementi finiti, considerando diversi scenari. In particolare si sono svolte inizialmente analisi numeriche bidimensionali in condizioni asciutte, al variare dei parametri meccanici di resistenza dei geomateriali e considerando gli scenari di versante inalterato e di galleria realizzata. I risultati mostrano come la presenza della galleria modifichi lo stato tenso-deformativo dell’ammasso roccioso, causando la localizzazione degli sforzi di taglio in zone più profonde del versante e favorendo quindi la formazione di volumi instabili più grandi. I risultati mostrano anche che nel caso in cui i materiali presenti siano caratterizzati da resistenza meccanica minore, la presenza della galleria modifica maggiormente la forma e la dimensione dell’area instabile, generando un volume potenzialmente in frana di dimensioni maggiori. Si è anche valutato il fattore di sicurezza del versante nei vari scenari e dalle analisi risulta che per i parametri di resistenza massimi, la galleria non modifica molto il fattore di sicurezza mentre per il caso di parametri di resistenza minimi, la galleria ne induce una grande riduzione. Per valutare con maggior dettaglio la risposta del sistema si sono ripetute le analisi bidimensionali precedentemente descritte, considerando la presenza dell’acqua al variare delle condizioni di ricarica dell’acquifero sia nel breve termine (condizioni non drenate) sia nel lungo termine (condizioni drenate). I risultati mostrano come la circolazione idrica sotterranea si suddivida in due acquiferi, uno superficiale il cui flusso avviene all’interno dei terreni sciolti e del cappellaccio, e l’altro nelle formazioni rocciose del substrato. La realizzazione della galleria comporta un effetto drenante, con l’acqua che tende a filtrare verso la galleria attraverso i percorsi a maggiore permeabilità costituiti dalle faglie. Le analisi di stabilità mostrano come la presenza di acqua causi una diminuzione del fattore di sicurezza del versante nel lungo termine e soprattutto nel breve termine, dove le sovrapressioni neutre non sono ancora state dissipate. La circolazione idrica modifica inoltre la forma della porzione di versante potenzialmente instabile rispetto al caso asciutto.Per studiare meglio l’estensione e la cinematica del dissesto si è implementato poi un modello tridimensionale che permette di considerare la reale topografia e le variazioni litologiche nelle direzioni X, Y e Z. Le simulazioni sono condotte in condizioni asciutte e si valutano due scenari di resistenza meccanica dei materiali, considerando per entrambi il versante inalterato e successivamente la presenza della galleria. Il modello tridimensionale permette di simulare anche lo scavo dell’opera sotterranea per passi successivi e ciò approssima meglio le reali condizioni di realizzazione della galleria. I risultati di queste analisi permettono di osservare l’estensione volumetrica del dissesto che risulta dominata dalla presenza di orizzonti di debolezza nel versante piuttosto che dallo scavo della opera. Le analisi effettuate considerando la realizzazione dell’opera per passi di scavo successivi mostrano infatti che il punto più critico per la stabilità del versante coincide con l’attraversamento della galleria della zona di taglio più superficiale. Per i parametri di resistenza meccanica massimi si osservano spostamenti non trascurabili nella parte bassa del versante, dove si sono registrate durante le campagne di indagini in sito le evidenze più significative di dissesto. Lo scenario di resistenza minima mostra invece un’instabilità diffusa su tutto il versante che potrebbe rappresentare l’esito della riattivazione di una porzione della DGPV di cui il sito in esame occupa l’estremo meridionale. L’esecuzione delle analisi bidimensionali hanno quindi permesso di individuare il fattore di sicurezza del versante e di osservare l’influenza che lo scavo dell’opera in sotterraneo ha sul sistema. Le analisi tridimensionale hanno permesso di individuare principalmente l’estensione dell’area in frana e la sua profondità. L’integrazione dei risultati ottenuti con entrambi i modelli permette di avere una conoscenza dettagliata del dissesto e delle sue interazioni con l’opera sotterranea.