Concrete tunnel segments with combined traditional and fiber reinforcement: optimization of the structural behavior and design aspects

Le infrastrutture sotterranee hanno assunto un ruolo di rilievo nella società moderna: la necessità continua di migliorare il trasporto pubblico e di soddisfare le richieste di un traffico sempre crescente rende queste strutture oggetto di notevole interesse. Le problematiche più importanti nella realizzazione delle infrastrutture sotterranee sono legate alle esigenze di lavorare, spesso, in ambito urbano, in terreni sciolti o con deboli resistenze meccaniche. Ulteriori difficoltà possono sorgere in seguito alla presenza di condizioni del terreno particolarmente eterogenee, con delle differenze notevoli tra i materiali incontrati durante lo scavo. Le esigenze, sempre crescenti, di minimizzare o eliminare del tutto le interferenze con le attività di superficie, nonché quelle di ridurre i tempi di esecuzione ed i costi di realizzazione delle opere in sotterraneo, sono state perseguite dall’industria mediante l’introduzione di nuove tecnologie improntate sulla meccanizzazione dello scavo. Tale tendenza ha portato all’introduzione di macchine a scavo integrale (Tunnel Boring Machines; TBMs), in grado di affrontare e superare qualsiasi difficoltà geologico-geotecnica ed alla necessità di disporre di rivestimenti in conci prefabbricati la cui messa in opera fosse compatibile con tempi di scavo più rapidi. Tali conci sono normalmente realizzati in calcestruzzo armato tradizionale. Le recenti esigenze di miglioramento della qualità e dell’affidabilità di tali rivestimenti hanno spostato l’interesse dei progettisti e dei costruttori verso l’uso di materiali innovativi quali i calcestruzzi fibrorinforzati, ponendo l’attenzione sulla possibilità di sostituire parte dell’armatura tradizionale con fibre, garantendo, in tal modo, una riduzione dei costi. Il presente lavoro di ricerca intende, pertanto, contribuire alla conoscenza del calcestruzzo fibrorinforzato per la realizzazione di rivestimenti in conci prefabbricati. A tale scopo, si valutano le opportunità offerte dal calcestruzzo rinforzato con fibre d'acciaio (Steel Fiber Reinforced Concrete - SFRC), in combinazione con le barre tradizionali d’armatura, riferendosi ai principali meccanismi che governano il comportamento ed il dimensionamento di tali strutture. Le condizioni di carico analizzate sono: • la fase di spinta dei martinetti idraulici della TBM, studiata attraverso simulazioni numeriche in ambito non-lineare; • la condizione finale in cui il rivestimento è caricato dall'azione del terreno che è stata analizzata tramite uno studio parametrico allo Stato Limite Ultimo (SLU) e mediante un opportuno approccio analitico allo Stato Limite di Esercizio (SLE); • la fase di “grouting”, in cui il vuoto lasciato dallo scudo della TBM viene riempito tramite l’iniezione di una boiacca (grout); tale transitorio è stato indagato mediante un modello numerico semplificato.

Underground infrastructures have assumed a relevant role in the modern society: the continuous need to improve the public transport and to satisfy the growing traffic demands make these structures very attractive. Among the consistent numbers of technical problems related to their design in urban environments, it is worth mentioning the low mechanical characteristics of soils, often soft and considerably heterogeneous. New technologies were recently developed to make the construction process faster and, if possible, as mechanized as possible. In addition, there is now a greater emphasis on bored tunnel in order to reduce the hindrance to the infrastructure above the ground and to the environment. Special machines (Tunnel Boring Machines; TBMs), allowing for a complete excavation, were introduced in order to promptly address the project needs and function effectively under most actual geotechnical-geological situations. These machines require that precast tunnel segments be put in place, in order to make the construction process faster with respect to ordinary linings cast in place. These segments are generally made of ordinary reinforced concrete; however, the addition of fibers is gaining considerable attention among designers and producers due to the enhanced mechanical properties, especially after cracking. Fibrous reinforcement allows firstly a partial substitution of the traditional reinforcement placed in the aforementioned elements and, secondly, an improvement in the quality and reliability of such members. This research work intends to be a contribution to the knowledge on fiber reinforcement for use in tunnel segments. In order to evaluate the opportunities offered by Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC), especially in combination with traditional reinforcement, for these precast elements, the principal mechanisms governing the tunnel behavior are investigated and listed in the following: • the thrust jack phase is studied by means of numerical analyses; • the lining embedded in ground is analyzed with a parametric study at the Ultimate Limit State (ULS) and with an analytical approach at the Serviceability Limit State (SLS); • the grouting process is examined through a numerical simplified model.