Optimizing tunnel lining design and construction using FRC: the case study of the Terzo Valico project

This thesis presents a comprehensive investigation into the use of steel fibre reinforced concrete for the final lining of (railway) tunnels, with a focus on two significant case studies: the Serravalle tunnel, excavated through mechanized methods, and the Interconnection tunnel of Novi Ligure to the historical railway line, excavated using conventional methods. The research was conducted during an internship with the COCIV Consortium (Webuild) at the construction site of the Terzo Valico dei Giovi. Currently, COCIV employs a conventional design and construction approach using ordinary reinforced concrete in prefabricated tunnel segments in the first case and in the final lining in the second. The main objective of the thesis is to introduce and evaluate alternative solutions, including the use of hybrid steel fibre/steel bar reinforcement in the first case and the exclusive use of steel fibres in the second. The thesis starts with a detailed description of the two case studies, highlighting excavation methods and technical specifications of the foreseen steel fibres reinforced concrete. This is followed by an analysis of the applied forces and a comprehensive structural verification of the proposed solutions, encompassing serviceability (SLS), ultimate limit state (ULS), fire resistance and transient phase verification for the segments. The thesis ends with an analysis of the economic feasibility, showcasing the potential savings in terms of materials, particularly in the mechanized method, and the time efficiency, with specific attention to the traditional method. The advantages of fibre-reinforced-concrete based solutions are discussed, along with reasons why such approaches are not yet widely adopted, despite their evident benefits. In summary, this research significantly contributes to providing a clear perspective on the opportunities for innovation in using fibres for tunnel reinforcement, highlighting their potential for technical and economic improvements in the construction industry.

Questa tesi presenta un'indagine completa sull'uso del calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio per il rivestimento finale di gallerie ferroviarie, con un focus su due significativi casi di studio: la galleria di Serravalle, scavata tramite metodi meccanizzati, e la galleria di Interconnessione di Novi Ligure alla linea ferroviaria storica, scavata con metodi convenzionali. La ricerca è stata condotta durante uno stage con il Consorzio COCIV (Webuild) presso il cantiere del Terzo Valico dei Giovi. Attualmente, il COCIV impiega un approccio di progettazione e costruzione convenzionale utilizzando calcestruzzo armato ordinario in segmenti prefabbricati di galleria nel primo caso e nel rivestimento finale nel secondo. L'obiettivo principale della tesi è introdurre e valutare soluzioni alternative, tra cui l'uso di rinforzi ibridi in fibra di acciaio/barra di acciaio nel primo caso e l'uso esclusivo di fibre di acciaio nel secondo. La tesi inizia con una descrizione dettagliata dei due casi di studio, evidenziando i metodi di scavo e le specifiche del calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio previsto. Segue un'analisi delle forze applicate e una verifica strutturale, comprendente la verifica in esercizio (SLS), lo stato limite ultimo (ULS), la resistenza al fuoco e la verifica della fase transitoria per i segmenti. La tesi si conclude con un'analisi della fattibilità economica, mostrando i potenziali risparmi in termini di materiali, in particolare nel metodo meccanizzato, e l'efficienza temporale, con particolare attenzione al metodo tradizionale. Vengono discussi i vantaggi delle soluzioni basate sul calcestruzzo rinforzato con fibre, insieme ai motivi per cui tali approcci non sono ancora ampiamente adottati, nonostante i loro evidenti benefici. In sintesi, questa ricerca contribuisce significativamente a fornire una chiara prospettiva sulle opportunità di innovazione nell'uso delle fibre per il rinforzo delle gallerie, evidenziando il loro potenziale per miglioramenti tecnici ed economici nell'industria delle costruzioni.