indagini geofisiche integrate in galleriamigrato tramite l’utilizzo dell’algoritmo di stolt...

GNGTS – Atti del 18° Convegno Nazionale / 04.07

E. Cardarelli, C. Marrone e L. Orlando

Dipartimento Idraulica Trasporti e Strade, Università “La Sapienza”, Roma

INDAGINI GEOFISICHE INTEGRATE IN GALLERIA

Riassunto. In questo lavoro si riportano i risultati ottenuti dalla interpretazione integrata di metodi geofisici applicati all’interno delle gallerie di captazione di una sorgente di acqua potabile. Un evento franoso che ha interessato una galleria ha manifestato una relativa instabilità di tali opere, dovuta ad un elevato grado di fratturazione dell’ammasso roccioso ed ad una obsolescenza delle strutture di rivestimento. Per una analisi accurata delle cause di questa instabilità sono stati impiegati il metodo G.P.R., il metodo sismico a rifrazione e la tomografia sismica per trasmissione. L’interpretazione integrata di più metodi geofisici ha permesso di valutare le caratteristiche elastiche dell’ammasso e di individuare con precisione le discontinuità presenti, nonché l’estensione dell’area interessata dal fenomeno franoso, ed infine, individuare la fascia allentata all’intorno dello scavo ed il contatto roccia-calcestruzzo.

INTEGRATED GEOPHYSICAL SURVEYS IN TUNNEL

Abstract. This work reports the results of an integrated interpretation of geophysical methods applied in some catchment tunnels of a drinking water source. A cave-in involving a tunnel revealed the relative instability of such subterranean works due to the high degree of fracturing of the rocky mass and an obsolescence of the concrete lining. G.P.R, seismic refraction and seismic transmission tomography were used to make an accurate analysis of this instability. The integrated interpretation of more than one geophysical method allowed an evaluation of the elastic characteristics of the mass, the precise identification of the discontinuities present, the extension of the area of rocky mass involved in the cave-in, the identification of the band loosened around the tunnel and the contact between concrete lining and rock.

INTRODUZIONE Per il controllo della stabilità di gallerie ed altre opere sotterranee sempre più

spesso si ricorre all’utilizzo di metodologie indirette quali quelle geofisiche. I metodi geofisici sono gli unici che possano infatti permettere una veloce analisi dello stato di fratturazione della roccia e dello stato del rivestimento, ed in questo caso si pongono come una valida alternativa alle indagini dirette, costose e di difficile esecuzione, soprattutto in luoghi difficilmente accessibili.

Negli ultimi anni sono state applicate le più svariate metodologie di indagini geofisiche in galleria, ma spesso si è sottovalutato il problema principale che accomuna tutti i metodi indiretti, cioè che tali metodi hanno comunque bisogno di essere tarati con i risultati di altre indagini per una comprensione più completa dei dati. Per esempio, con l’utilizzo della sola sismica a rifrazione non si possono evidenziare anomalie di dimensioni inferiori alla distanza intergeofonica, e quindi occorre sempre operare una mediazione tra profondità di investigazione desiderata e risoluzione ottenibile, la tomografia sismica non può raggiungere elevati livelli di risoluzione a causa delle frequenze che vengono registrate; anche il metodo radar (G.P.R.) può presentare un certo grado di ambiguità nell’interpretazione delle anomalie, nel caso frequente in cui oggetti con caratteristiche diverse si presentano nel profilo radar in maniera simile.


In questo lavoro si propone quindi l’interpretazione integrata di tre metodi geofisici: sismica a rifrazione, tomografia sismica e radar.

Numerosi autori hanno utilizzato più metodologie in una stessa indagine, accoppiando indagini sismiche ed elettriche (Lin et al.,1996; Dobroka et al.,1991; Cardarelli e Bernabini, 1997), o queste ultime accoppiate ad indagini radar (Santarato et al., 1998), in tutti i casi l’utilizzo di più metodologie ha permesso una più precisa definizione delle anomalie e quindi una più esatta interpretazione. Al contrario in letteratura non sono molti gli esempi di impiego contestuale di metodi radar e metodi sismici, e la maggior parte sono applicazioni di natura molto diversa da quella descritta in queste pagine, ad esempio integrando i primi metri di terreno investigati con la sismica a riflessione ad alta frequenza con indagini GPR, con lo scopo di utilizzare la migliore risoluzione del radar nei primi metri (Toros et altri,1992), quindi non indagando di fatto la stessa porzione di terreno. Più simile al presente lavoro è quello di Bernabini et al. (1994), in cui viene descritta l’interpretazione integrata di sezioni di tomografia sismica e di sezioni GPR di alcuni pilastri del Colosseo.

In galleria si hanno numerosi esempi di utilizzo del GPR, soprattutto per il controllo delle strutture di rivestimento (Granda et al.,1998; Maekawa e Fenner,1994; Piccolo e Zanelli A.,1994; Sorbini, 1990), mentre le indagini sismiche sono sempre meno frequenti, forse a causa delle difficoltà di posizionamento di geofoni e sorgenti in presenza del rivestimento, o della necessità di utilizzare sorgenti alternative all’esplosivo, o per i costi unitari notevolmente più elevati. Le tecniche sismiche sono per lo più utilizzate nella fase di definizione dei parametri dell’ammasso in fase di progettazione o durante lo scavo, ed in alcuni casi in miniera, dove non vi sono strutture di rivestimento (Bernabini et altri,1974; Brizzolari,1980,1981; Gillot et al.,1997; Sattel et al.,1992).

Le indagini che vengono qui descritte sono state effettuate all’interno delle gallerie di captazione di un’importante sorgente di acqua potabile dell’Appennino centrale, nelle quali si sono verificati gravi fenomeni di instabilità. L'utilizzo di più metodologie geofisiche ha permesso una interpretazione integrata che ha fornito in maniera dettagliata le caratteristiche della roccia investigata.

CARATTERIZZAZIONE DEL SITO Le opere di captazione oggetto dell’indagine, costruite tra il 1938 e il 1940, sono

costituite da una complessa rete di gallerie, di drenaggio e di trasporto dell’acqua, che si sviluppano per circa 1500 metri all’interno di una formazione calcarea poco stratificata. Questa formazione risente di un elevato grado di tettonizzazione, con numerose famiglie di fratture subverticali con orientazione NW-SE e NE-SW. Nelle aree prossime ai principali elementi tettonici la roccia si presenta intensamente fratturata, fino a trasformarsi in una breccia incoerente.

Il particolare assetto geologico della zona, l’elevato stato di fratturazione della roccia, ed un’elevata attività sismica locale hanno sempre comportato un pericolo per la stabilità di tali gallerie. Dopo l’evento sismico dell’11 Ottobre 1997 in Umbria, un fenomeno franoso ha portato a collasso il rivestimento di una delle gallerie in cui viene trasportata l’acqua (Fig. 1): una gran quantità di materiale roccioso, allo stato oramai di breccia incoerente, si è riversato all’interno della galleria ostruendola completamente e rendendola inutilizzabile come elemento di convogliamento dell’acqua dalle gallerie drenanti alla galleria collettrice.


Dopo questo evento si è manifestata la necessità di un monitoraggio accurato di queste opere, ma le ridotte dimensioni delle gallerie e la necessità di un intervento quanto più possibile non distruttivo ed assolutamente non pericoloso per la purezza dell’acqua ha portato a considerare i metodi geofisici come i più idonei per il controllo di queste gallerie.

Fig. 1 - Pianta dell’area investigata.

Gli obiettivi posti a queste indagini erano molteplici:

• individuazione delle discontinuità principali presenti nell’ammasso; • valutazione delle caratteristiche elastiche dell’ammasso; • individuazione dell’estensione della zona interessata dal fenomeno franoso; • individuazione della fascia di roccia allentata intorno allo scavo e del contatto

calcestruzzo-roccia. ACQUISIZIONE DATI L’indagine ha interessato la porzione di roccia compresa tra due gallerie

parallele, la galleria “Longitudinale Alta” in cui era avvenuta la frana, e la galleria “Longitudinale Bassa”, e di due piccole gallerie di collegamento ( vedi Fig. 1).

Per effettuare un confronto ed un’integrazione tra i vari metodi le indagini sono state programmate in modo da investigare l’ammasso roccioso all’intorno di un piano all’incirca orizzontale posto tra le due gallerie.

L’indagine radar è stata eseguita con le apparecchiature PulseEkko 100 e 1000 della Sensor&Software, mediante profili per punti, con passo di campionamento di 10 cm, rilevati lungo la galleria Longitudinale Bassa ad un’altezza di 1,2 metri dal piano di calpestio (Fig. 2a). Per queste indagini sono state utilizzate antenne bistatiche da 200 MHz e da 450 MHz (queste ultime schermate), per sfruttare le diverse risoluzioni ottenibili.


Fig. 2 - (a) Schema di acquisizione dei dati georadar; (b) Schema di acquisizione dei dati sismici.

Per eseguire le indagini sismiche è stato utilizzato il sismografo Geometrix ES2401X; sia i geofoni sia i punti di energizzazione sono stati disposti sui piedritti delle gallerie che circoscrivono l’area investigata, sempre ad un’altezza di 1,2 metri (Fig. 2b). La linea di sismica a rifrazione è stata acquisita lungo il piedritto della galleria Longitudinale Bassa. La linea era formata da quattro basi da 12 geofoni ognuna, con una distanza intergeofonica di 1 metro, con 5 scoppi per ogni base. La tomografia è stata effettuata invece distribuendo 70 geofoni e 13 punti sorgente lungo il perimetro del piano interessato dai precedenti rilievi, come mostrato in Fig. 3.

Fig. 3 - Raggi sismici e discretizzazione utilizzata per la tomografia.

Nelle indagini sismiche, per ridurre al minimo l’assorbimento del segnale dovuto alla presenza del rivestimento, si è preferito generare e registrare l’onda elastica direttamente sulla roccia. A tale scopo sono state messe in opera, per le sorgenti, delle barre di acciaio di 30 mm di diametro e di 600 mm di lunghezza, tali da superare il calcestruzzo del rivestimento. Il segnale elastico è stato generato percuotendo le barre con un martello. Analogamente per registrare il segnale sono state predisposte delle barre di acciaio di 10 mm di diametro e di 600 mm di lunghezza, filettate ad una estremità, per permettere il montaggio dei geofoni. In precedenza erano state eseguite delle prove di registrazione allo scopo di studiare se tali barre potessero in qualche modo alterare il contenuto in frequenza del segnale.


ELABORAZIONE DATI GPR I dati radar ottenuti con le antenne da 200 e 450 MHz sono stati elaborati

tramite l’utilizzo del programma Gradix, della Interpex inc.; in ciascun profilo sono state allineate le tracce ad uno stesso time zero, è stata sottratta la traccia media per eliminare l’onda diretta, sono state amplificate le tracce moltiplicandole per una funzione esponenziale, costante su tutte le tracce, in modo da eliminare almeno in parte l’attenuazione che subisce il segnale nella sua propagazione nel terreno. Per eliminare eventuali rumori ambientali, sono stati applicati filtri in frequenza di tipo Buttherworth, con frequenze di taglio comprese tra i 50 e i 250 MHz per il profilo a bassa frequenza e tra i 150 e i 550 per il profilo a 450 MHz. Poichè nelle registrazioni erano presenti numerosi eventi con forte inclinazione, il profilo da 200 MHz è stato migrato tramite l’utilizzo dell’algoritmo di Stolt (1978), con una velocità di 9,5 cm/ns; una certa disomogeneità delle velocità ha impedito di ottenere un sostanziale miglioramento del profilo, ma ha permesso di individuare con maggiore certezza l’inclinazione delle anomalie già individuate nel profilo non migrato (anomalie 2 e 3 in Fig. 4 e 5).

I profili radar così ottenuti possono essere considerati delle sezioni orizzontali dell’area investigata. Su entrambe le sezioni si notano tre gruppi di tracce in cui il segnale è più forte (zone A,B,C in Fig. 4), questo è probabilmente legato ad un locale miglioramento dell’accoppiamento antenne – mezzo investigato.

Sismica a rifrazione L’elaborazione è stata condotta con il metodo dei Delay times (Gardner, 1939)

integrato con il metodo proposto da Bernabini (1965) per l’individuazione delle variazioni di velocità nel caso di più strati. Il picking per l’individuazione del primo arrivo è stato effettuato a mano, e ricontrollato più volte durante l’elaborazione per ottenere una migliore accuratezza nei dati.

Tomografia sismica Nella prima fase di elaborazione è stata eseguita la lettura delle tracce sismiche

per individuare i primi arrivi. Questa fase è stata effettuata con la stessa accuratezza utilizzata nella sismica a rifrazione. Sono stati esclusi i percorsi la cui lettura era incerta. In totale sono stati utilizzati 302 raggi sismici, che hanno coperto quasi totalmente (eccettuato la zona in frana) l’area compresa tra la galleria Longitudinale Alta e la galleria longitudinale Bassa (Fig. 3); la disposizione geometrica di punti sorgente e geofoni è stata scelta in fase di progettazione per ottenere la migliore stabilità del sistema di risoluzione, che, nell’ipotesi di raggi rettilinei, dipende essenzialmente dalla copertura angolare di ogni cella in cui è stata suddivisa l’area da investigare. In seguito si è determinata la griglia più idonea in funzione dell’effettiva copertura, per ottenere la massima risoluzione e stabilità del sistema, considerando come range di velocità utili quello fornito dalla sismica a rifrazione. A tal fine sono state provate una serie di griglie cercando quella ottimale, considerando


anche la risoluzione massima ottenibile con le geometrie e le frequenze utilizzate (Williamson, 1991, Williamson e Worthington, 1993). Come parametro di discriminazione si è utilizzato il numero di condizionamento della matrice tomografica, che può dare informazioni sull’effettiva stabilità della soluzione (Nolet, 1987, Tarantola, 1987). Inoltre per ogni griglia è stata esaminata la matrice di covarianza unitaria, che dà informazioni sul grado di amplificazione dell’errore associato ad ogni cella e, normalizzata, anche l’influenza di questo errore sui valori delle altre celle. La maglia ottimale è mostrata in Fig. 3.

Il sistema è stato poi risolto ai minimi quadrati con damping variabili (Bernabini e Cardarelli, 1997).

X = (GTG + ΛI)-1(GTb + Λlm)

In cui X = vettore delle lentezze della cella considerata, con la lentezza definita

come l’inverso della velocità; G = matrice tomografica, costruita nell’ipotesi di raggi rettilinei; b = vettore dei tempi letti; Λ = matrice diagonale dei fattori di damping; lm = lentezza media; I = matrice identità.

INTERPRETAZIONE GPR Dal profilo ottenuto con le antenne da 200 MHz (Fig. 4 e 5), che possiede una

buona capacità di penetrazione ma una risoluzione relativamente bassa, è stato possibile individuare le discontinuità principali presenti nell’area (anomalie 2 e 3 in Fig. 4). Sono infatti presenti nel profilo numerose anomalie, la cui inclinazione determinata con il profilo migrato (Fig. 5), si è rivelata avere una ottima corrispondenza con l’orientazione delle famiglie di fratture individuate nei rilievi geologici di superficie. In questo profilo si individua inoltre il muro della galleria ostruita dalla frana (anomalia 1 in Fig. 4), è quindi possibile delimitare la zona in cui il rivestimento è crollato.

Fig. 4 - Profilo georadar da 200 MHz; con le frecce vengono indicate le anomalie individuate: 1) Galleria Longitudinale Alta; 2 - 3) Fratture; 4 - 5) Zona a basso segnale; A - B -C ) Zone con segnale più intenso.


Fig. 5 - Profilo georadar da 200 MHz dopo la migrazione. È possibile individuare diverse zone del profilo che mostrano effetti di sovra o sottomigrazione.

In entrambi i profili radar si individuano due zone con bassa densità di segnale (anomalie 4 e 5 in Fig. 4). Per la zona 4 la buona penetrazione del segnale permette di concludere che si tratta di una zona in cui la roccia è relativamente sana e priva di fratture. Per la zona 5 invece, l’assenza di riflessioni indica la presenza di roccia o sana o del tutto incoerente e quindi fortemente assorbente.

Fig. 6 - Profilo georadar da 450 MHz. Con le frecce è evidenziata la fascia ricca di anomalie che corrisponde alla fascia più fratturata ed allentata della roccia a contatto con la galleria.

Sismica a rifrazione Anche con la sismica a rifrazione si ottiene una sezione orizzontale dell’area

investigata; in questo caso (Fig. 7) si individua una prima fascia più vicina al rivestimento con velocità comprese tra i 2,6 ed i 3,1 km/s, ed un substrato più profondo con velocità comprese tra i 3,9 ed i 4,4 km/s. Lo spessore del primo strato, compreso tra i 30 ed i 220 cm, può essere considerato un buon indice della larghezza della zona più fratturata ed allentata intorno alla galleria (raggio plastico della galleria).


Fig. 7 - Profilo di sismca a rifrazione.

Tomografia sismica Il risultato della tomografia sismica è riportato in Fig. 8; è immediata

l’individuazione delle variazioni delle caratteristiche meccaniche della roccia. È chiaramente visibile la bassa qualità della roccia nella zona più vicina alla galleria “Longitudinale Alta”, dove presenta velocità dell’ordine di 1,5 km/s, cioè velocità che sono tipiche di rocce molto degradate; le velocità crescono verso la galleria “Longitudinale Bassa”, in corrispondenza della quale si riscontrano velocità sostanzialmente simili a quelle individuate nella sismica a rifrazione.

Fig. 8 - Tomografia sismica. INTERPRETAZIONE INTEGRATA Dopo aver acquisito, elaborato e interpretato singolarmente sia i dati radar sia i

dati sismici, nella fase finale del lavoro si sono confrontati ed integrati i risultati ottenuti, in maniera da poter eliminare le ambiguità insite in ciascun metodo.

I profili radar infatti forniscono la disposizione geometrica e la frequenza delle discontinuità presenti nell’area, da cui è quindi possibile dedurre il comportamento meccanico dell’ammasso. I metodi sismici permettono invece di conoscere la distribuzione delle velocità, e quindi forniscono informazioni sui parametri di deformabilità e sul grado di integrità della roccia.

È possibile di conseguenza pensare un utilizzo dei dati sismici come chiave di lettura dei profili radar, per risolvere le indeterminatezze e per fornire una


parametrizzazione a livello meccanico tramite la conoscenza delle velocità delle onde elastiche.

Per poter effettuare una lettura univoca dei dati, tutti i risultati sono stati digitalizzati e trasformati in immagini vettoriali e raster. In questa maniera i profili radar, la tomografia e le linee di sismica a rifrazione sono stati riportati alla stessa scala in maniera da renderli sovrapponibili.

La linea sismica a rifrazione ed il profilo radar da 450 MHz (Fig. 9) sono stati utilizzati per un controllo incrociato della zona allentata vicino alle pareti della galleria. La sismica a rifrazione ha permesso di definire gli spessori e le velocità dello strato allentato, ed il radar permesso di correlare queste informazioni con il grado di fratturazione della roccia; in più il radar ha fornito indicazioni sul grado di aderenza fra il rivestimento e la roccia. Si è quindi trovata un’ottima corrispondenza tra il primo strato allentato individuato nella sismica e la fascia ricca di anomalie individuata nel profilo radar: spessori maggiori e velocità inferiori della fascia allentata nel profilo di sismica a rifrazione, coincidono con aree più fratturate e con locali distacchi tra roccia e calcestruzzo nel profilo radar.

Sovrapponendo la tomografia sismica al profilo radar da 200 MHz (Fig. 10) è possibile integrare le informazioni ed eliminare alcune ambiguità nell’interpretazione del profilo radar. Dal rilievo tomografico si ricavano le caratteristiche elastiche medie, mentre dal rilievo radar la presenza delle fratture principali, che non possono essere individuate dalla sismica.

Fig. 9 - Linea di sismica a rifrazione sovrapposta al profilo georadar da 450 MHz.

Sovrapponendo la tomografia sismica al profilo radar da 200 MHz (Fig. 10) è

possibile integrare le informazioni ed eliminare alcune ambiguità nell’interpretazione del profilo radar. Dal rilievo tomografico si ricavano le caratteristiche elastiche medie, mentre dal rilievo radar la presenza delle fratture principali, che non possono essere individuate dalla sismica.


Fig. 10 - Tomografia sismica sovrapposta al profilo georadar da 200 MHz.

Per quanto si riferisce alla zona con bassa densità di segnale radar (zone 4 e 5 di Fig. 4) si conferma per la zona 4, caratterizzata da velocità relativamente alte, l’assenza di fratture, mentre per la zona 5 non si possono fare correlazioni per la mancanza locale di risultati del rilievo tomografico, a causa della inaccessibilità della galleria “Longitudinale Alta”. La presenza di velocità inferiori a 2,4 km/s intorno alla zona 5, la presenza lungo la stessa galleria di valori di velocità inferiori a 2 km/s e l’esistenza della frana nella stessa zona portano a ritenere ragionevole che l’assenza di segnale nella zona 5 sia dovuta alla stessa frana che verrebbe in tal modo localizzata.

CONCLUSIONI Con l’utilizzo dei tre metodi si è quindi ottenuta una informazione esaustiva

dell’area investigata: • Il radar ha fornito informazioni che riguardano essenzialmente la disposizione

geometrica e la numerosità delle discontinuità presenti nella zona indagata; • I metodi sismici hanno fornito la distribuzione dei parametri elastici.

L’unione delle informazioni elastiche con quelle geometriche fornite dal radar ha permesso di superare eventuali indeterminazioni che si possono avere dall’uso di una sola metodologia.

L’utilizzo di un programma C.A.D. ha permesso una visione più completa dei risultati, ed ha permesso di incrociarli visivamente. In questa maniera è poi stato possibile fornire al progettista i dati geofisici in maniera più leggibile e integrata agli altri strumenti di progettazione.

L’accoppiamento quindi di più metodologie geofisiche rappresenta lo strumento ideale per effettuare indagini geognostiche in ambienti ristretti, in cui è richiesta la non distruttività, per indirizzare gli interventi di risanamento o per il controllo dei risultati a consolidamento effettuato, eliminando la necessità di effettuare indagini invasive per tarare i dati geofisici.

L’analisi integrata ha quindi permesso di individuare un’area a più alta instabilità lungo la galleria “Longitudinale Alta”, dove la tomografia sismica indica velocità


inferiori a 2 km/s e il profilo radar individua anomalie molto intense associabili sicuramente a fratture beanti.

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