ITCT20130009A1

ITCT20130009A1 - DEVICE FOR THE CONSOLIDATION, STABILIZATION AND ARMORING OF SOIL DURING EXCAVATIONS IN THE TRINCEA OR IN THE GALLERY, WITH FUNCTION OF CONDUCTION OF CONSOLIDATING EXPANSIVE MIXTURES

Info

Publication number: ITCT20130009A1
Application number: IT000009A
Authority: IT
Inventors: Giovanni Maria Bianco; Giuseppe Manuele
Original assignee: Maplad Srl
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2013-07-24

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione ha per oggetto un dispositivo per il consolidamento, stabilizzazione e armatura del terreno durante le fasi di scavo in sotterraneo, lÃ dove le caratteristiche meccaniche deHâ€™ammasso da attraversare richiedono una stabilizzazione preliminare alla fase di abbattimento. Durante lo scavo di una galleria, difatti, uno dei principali problemi che gli esecutori si trovano a dover affrontare Ã ̈ la stabilitÃ deHâ€™ammasso da scavare, cosÃ¬ da poter eseguire le lavorazioni in totale sicurezza preservando lâ€™incolumitÃ degli operatori che eseguono le varie fasi lavorative e dovendo mitigare i fenomeni di subsidenza superficiale, ovvero gli effetti che il detensionamento del materiale di scavo puÃ² generare sulle aree sovrastanti la zona di scavo. The present invention relates to a device for the consolidation, stabilization and reinforcement of the ground during the underground excavation phases, where the mechanical characteristics of the mass to be crossed require a stabilization prior to the abatement phase. During the excavation of a tunnel, in fact, one of the main problems that the executors have to face is the stability of the mass to be excavated, so as to be able to carry out the work in total safety while preserving the safety of the operators who they carry out the various working phases and having to mitigate the phenomena of surface subsidence, that is the effects that the detensioning of the excavated material can generate on the areas above the excavation area.

Il tecnico si trova pertanto a dover progettare lo scavo al fine di contenere i cedimenti in superficie entro una classe di severitÃ tale da non arrecare danno alcuno alle aree sovrastanti la galleria e nel contempo garantire la stabilitÃ del cavo che si scava in totale sicurezza per le maestranze che operano. The technician therefore finds himself having to design the excavation in order to contain the subsidence on the surface within a class of severity such as not to cause any damage to the areas above the tunnel and at the same time guarantee the stability of the cable that is excavated in total safety for the workers who operate.

Al fine di poter garantire il controllo delle deformazioni e quindi evitare cedimenti e subsidenze si opera con metodologie di stabilizzazione di alcune classi di materiali che, a causa della fratturazione degli stessi ovvero della loro granulometria e caratteristiche fisico-meccaniche, possono essere soggetti a detensionamenti, comunemente denominati â€œfornelliâ€ , ovvero rilasci di materiale allâ€™interno del cavo, con evidenti problemi per la sicurezza degli operatori e la stabilitÃ del foro e dei terreni di sedime di ricoprimento. In order to be able to guarantee the control of deformations and therefore avoid sagging and subsidence, we operate with stabilization methods of some classes of materials which, due to their fracturing or their granulometry and physical-mechanical characteristics, may be subject to detensioning, commonly known as â € œfurnacesâ €, that is, releases of material inside the cable, with obvious problems for the safety of the operators and the stability of the hole and of the covering grounds.

La tecnica comunemente utilizzata per evitare tali fenomeni consiste nel consolidare lâ€™ammasso da scavare mediante lâ€™iniezione di miscele chimiche o cementizie per mezzo di tubi valvolati. In particolare si prevede la realizzazione di uno scavo nella porzione di terreno da consolidare, la messa in opera di tubi (spesso in Vetroresina VTR) con delle valvole a manchette o a scomparsa tronco-coniche e la successiva iniezione selettiva valvola per valvola (il cui passo Ã ̈ un parametro definito dal progettista in funzione delle caratteristiche meccaniche dellâ€™ammasso consolidato che si aspetta di ottenere). In tal senso i parametri progettuali a disposizione sono le caratteristiche fisico-meccaniche dellâ€™ammasso da consolidare, la presenza o meno di pressioni idrostatiche dovute alla presenza di falde in pressione. Al fine di poter effettuare lâ€™iniezione selettiva, il metodo comunemente impiegato Ã ̈ quello di adottare tubi in VTR valvolati e paker singoli o doppi per lâ€™iniezione selettiva. The technique commonly used to avoid such phenomena consists in consolidating the mass to be excavated by injecting chemical or cement mixtures by means of valved pipes. In particular, it involves the construction of an excavation in the portion of the ground to be consolidated, the installation of pipes (often in fiberglass VTR) with manchette or retractable truncated cone valves and the subsequent selective injection valve by valve (whose pitch It is a parameter defined by the designer according to the mechanical characteristics of the consolidated rock he expects to obtain). In this sense, the design parameters available are the physical-mechanical characteristics of the rock mass to be consolidated, the presence or absence of hydrostatic pressures due to the presence of pressurized aquifers. In order to be able to carry out the selective injection, the commonly used method is that of adopting tubes in VTR with valves and single or double packers for selective injection.

Operativamente le attivitÃ da eseguirsi per effettuare il consolidamento sono lo scavo con una macchina di perforazione dotata di un martello fondo foro, la posa del tubo di iniezione in VTR allâ€™interno del foro di scavo, la sigillatura della bocca foro, lâ€™iniezione delle miscele. Operationally, the activities to be carried out to carry out the consolidation are the excavation with a drilling machine equipped with a down the hole hammer, the laying of the injection pipe in fiberglass inside the excavation hole, the sealing of the hole mouth, the injection of the mixtures.

Questâ€™ultima fase, qualora selettiva, ovvero qualora sia necessario iniettare per ciascuna valvola (quindi ad ogni predeterminata profonditÃ del VTR installato) un quantitativo progettualmente stabilito di miscela cementizia o chimica, richiede lâ€™impiego di un doppio paker che, posizionato allâ€™interno del VTR e centrato sulle valvole, permette di isolare la zona di iniezione in prossimitÃ della valvola gonfiando due setti isolatori. Avvenuta questâ€™operazione, viene avviata la vera e propria iniezione dal foro centrale che consente cosÃ¬ di portare il volume di miscela voluto nella posizione individuata dalla valvola. Eseguita lâ€™iniezione i setti vengono sgonfiati, il paker viene manualmente portato sulla valvola successiva e viene ripetuta la fase di isolamento del setto e successiva iniezione. Le fasi anzi descritte vengono ripetute â€œnâ€ volte, in cui â€œnâ€ Ã ̈ il numero di valvole presenti sul tubo. This last phase, if selective, or if it is necessary to inject for each valve (therefore at each predetermined depth of the GRP installed) a projectually established quantity of cement or chemical mixture, requires the use of a double paker which, positioned at the € ™ inside the VTR and centered on the valves, it allows to isolate the injection area near the valve by inflating two insulating baffles. Once this operation has taken place, the actual injection is started from the central hole which thus allows the desired mixture volume to be brought to the position identified by the valve. Once the injection has been performed, the septa are deflated, the paker is manually brought to the next valve and the septum isolation and subsequent injection phase is repeated. The steps described are repeated â € œnâ € times, in which â € œnâ € is the number of valves on the pipe.

La tecnologia a disposizione ha tuttavia alcuni limiti, in parte dovuti alla manualitÃ del sistema proposto, in parte alla compatibilitÃ con le miscele adottate, e piÃ¹ precisamente: However, the technology available has some limits, partly due to the manual skills of the proposed system, partly due to compatibility with the blends adopted, and more precisely:

1. La tecnologia esistente richiede che il punto di iniezione sia posizionato a ridosso della valvola con estrema precisione: un errore in tal senso potrebbe comportare il mancato centramento della valvola che potrebbe trovarsi al di fuori della zona di iniezione causando lo scoppio del VTR o lâ€™erronea sensazione di aver portato a rifiuto il terreno da consolidare con l'illusorio effetto di aver compiuto un consolidamento lÃ dove Ã ̈ stato invece unicamente riempito il tubo di iniezione; 2. Nel caso in cui il rapporto acqua/cemento della malta di consolidamento in adozione abbia un rapporto molto basso, avendo quindi a che fare con malte poco fluide e piÃ¹ consistenti, condizione che potrebbe essere richiesta dal progettista in tutti quei casi in cui la granulometria e permeabilitÃ del terreno richiedano una minore fluiditÃ per evitare una eccessiva dispersione della stessa, lâ€™impiego del doppio paker diviene assai difficoltoso. Quanto detto poichÃ© le malte cementizie poco fluide tendono ad ostacolare lâ€™avanzamento del sistema di iniezione una volta iniettate le prime valvole, rendendo quasi impossibile la prosecuzione dell'iniezione nelle modalitÃ previste da progetto; 1. Existing technology requires that the injection point be positioned close to the valve with extreme precision: an error in this sense could result in the valve not being centered, which could be outside the injection area, causing the VTR to burst or cause € ™ erroneous feeling of having led to waste the soil to be consolidated with the illusory effect of having carried out a consolidation where the injection pipe has instead been only filled; 2. In the event that the water / cement ratio of the adopted consolidation mortar has a very low ratio, thus having to do with less fluid and more consistent mortars, a condition that could be required by the designer in all those cases in which the particle size and permeability of the soil require less fluidity to avoid excessive dispersion of the same, the use of the double paker becomes very difficult. This has been said since the low-fluid cementitious mortars tend to hinder the advancement of the injection system once the first valves have been injected, making it almost impossible to continue the injection in the manner envisaged by the project;

3. Nel caso in cui le caratteristiche fisico-meccaniche dellâ€™ammasso, richiedano lâ€™adozione di malte chimiche espansive bi-componeti o malte espansive cementizie, lâ€™adozione del doppio paker per lâ€™iniezione Ã ̈ pressochÃ© impossibile, giacchÃ© tutti i sistemi bi-componenti vengono iniettati dentro foro, ed una volta miscelati avviano il processo di espansione che normalmente si avvia nel giro di qualche minuto e si conclude nellâ€™arco di poche decine di minuti, intasando il paker e causando quasi con certezza il blocco dello stesso entro foro; 3. In the event that the physical-mechanical characteristics of the heap require the adoption of expansive bi-component chemical mortars or expansive cementitious mortars, the adoption of the double paker for the injection is almost impossible. , since all the two-component systems are injected into the hole, and once mixed they start the expansion process which normally starts within a few minutes and ends in a few tens of minutes, clogging the paker and causing almost with certainty the block of the same within the hole;

Mentre le problematiche riscontrate nel punto 1) sono risolvibili con una buona organizzazione del cantiere e dotando le maestranze di semplici indicatori manuali della posizione relativa fra valvola e sistema di iniezione, le problematiche evidenziate ai punti 2) e 3) non possono essere risolte se non cambiando la tipologia di miscele da adottare quasi sempre a svantaggio della loro efficacia, dovendo aumentare il contenuto in acqua, la fluiditÃ e diminuendo le caratteristiche meccaniche. In ogni caso la tecnologia a disposizione risulta incompatibile con tutte le miscele chimiche bi-componente. While the problems encountered in point 1) can be solved with a good organization of the construction site and by equipping the workers with simple manual indicators of the relative position between the valve and the injection system, the problems highlighted in points 2) and 3) cannot be solved unless changing the type of mixtures to be adopted almost always to the disadvantage of their effectiveness, having to increase the water content, the fluidity and decreasing the mechanical characteristics. In any case, the available technology is incompatible with all bi-component chemical mixtures.

Al fine di superare le difficoltÃ su riscontrate, si Ã ̈ pensato di creare un sistema di iniezione che potesse creare lo stesso effetto di quello anzi descritto senza lâ€™utilizzo di paker di iniezione, evitando quindi i frequenti problemi di intasamento, sottoproduzione e mancato raggiungimento degli obiettivi che il progettista intende raggiungere con la stabilizzazione dei materiali di scavo. In order to overcome the difficulties encountered above, it was decided to create an injection system that could create the same effect as the one described without the use of an injection paker, thus avoiding the frequent problems of clogging, underproduction and failure. achievement of the objectives that the designer intends to achieve with the stabilization of the excavated materials.

Lo scopo principale Ã ̈ impiegare miscele potenzialmente espandenti in tempo molto breve per consolidare una ben determinata area senza che si possano creare fenomeni di intasamento che ostacolino l'iniezione e la stabilizzazione dei materiali. The main purpose is to use potentially expanding mixtures in a very short time to consolidate a specific area without creating clogging phenomena that hinder the injection and stabilization of the materials.

Per raggiungere lâ€™obiettivo il tubo in vetroresina Ã ̈ stato sostituito da una barra, sempre in VTR, piena e la cui funzione non Ã ̈ piÃ¹ quella del trasporto delle miscele di consolidamento ma di sostegno del sistema di iniezione, unicamente per conferire una rigidezza tale da poter essere sospinto all'interno del foro scavato qualunque sia la tipologia di materiale incontrato (argilloso, fratturato, calcareo, basaltico, sciolto). Tale barra, dotata di un cuneo di spinta nella parte sommitale, sostiene dei tubi di iniezione a diverse lunghezze e profonditÃ che sostituiscono le valvole, di numero pari al numero dei compartimenti che si vuole realizzare. Ogni tubo di iniezione puÃ² essere dotato di un tubo di sfiato per il controllo dellâ€™iniezione, da adottare solo nel caso in cui si faccia uso di miscele cementizie. La compartimentazione delle camere di iniezione viene effettuata mediante lâ€™impiego di sacchi otturatori vincolati al sistema di iniezione e protetti da distanziatori a monte e valle del singolo sacco. I sacchi otturatori vengono iniettati mediante un tubo di iniezione che viene riportato in ogni singolo sacco e possono essere dotati anche in questo caso di un tubo di sfiato. Prima di procedere allâ€™iniezione selettiva vera e propria, viene effettuata lâ€™iniezione dei sacchi otturatori, cosÃ¬ da compartimentare le zone di iniezione. Una volta iniettato il sacco si passa allâ€™iniezione selettiva per camere, dalla piÃ¹ distante alla piÃ¹ vicina alla bocca foro con i quantitativi previsti per metro lineare di barra posata. Il sistema cosÃ¬ proposto, Ã ̈ schematizzato nei disegni allegati. To achieve the goal, the fiberglass tube was replaced by a bar, again in fiberglass, full and whose function is no longer that of transporting the consolidation mixtures but of supporting the injection system, only to give a stiffness such that it can be pushed inside the hole dug whatever the type of material encountered (clayey, fractured, calcareous, basaltic, melted). This bar, equipped with a thrust wedge at the top, supports injection pipes at different lengths and depths that replace the valves, equal in number to the number of compartments to be made. Each injection pipe can be equipped with a breather pipe for injection control, to be used only when using cementitious mixtures. The compartmentalization of the injection chambers is carried out through the use of obturator bags linked to the injection system and protected by spacers upstream and downstream of the single bag. The obturator bags are injected through an injection tube which is returned to each individual bag and can also be equipped with a vent tube in this case. Before proceeding with the actual selective injection, the obturator bags are injected, so as to compartmentalise the injection areas. Once the bag has been injected, we move on to selective injection by chambers, from the farthest to the closest to the hole mouth with the expected quantities per linear meter of bar laid. The system thus proposed is schematized in the attached drawings.

Il sistema di iniezione, definito per lâ€™appunto M-l (Multi-lnjection), rispetto alla tecnologia a disposizione presenta i seguenti vantaggi: The injection system, defined precisely as M-l (Multi-lnjection), compared to the available technology has the following advantages:

- semplicitÃ di utilizzo, lâ€™operatore deve unicamente iniettare per ordine numerico i tubi che trova a bocca foro, senza lâ€™ausilio di paker o altre attrezzature, semplicemente con un sistema di connessione idraulico alla bocca del foro; - ease of use, the operator only has to inject by numerical order the tubes found at the mouth of the hole, without the aid of a paker or other equipment, simply with a hydraulic connection system at the mouth of the hole;

- non presenta il rischio dellâ€™otturazione del sistema d'iniezione e qualora si otturasse uno dei due tubi si potrebbe impiegare indifferentemente quello di sfiato, con lâ€™assoluta garanzia di iniettare il volume voluto nellâ€™area di iniezione prevista in progetto; - it does not present the risk of clogging of the injection system and if one of the two pipes becomes blocked, the vent pipe could be used indifferently, with the absolute guarantee of injecting the desired volume into the injection area envisaged in the project ;

- compatibilitÃ con le miscele chimiche a reazione esotermica anche con notevole sviluppo di calore, poichÃ© i tubi dâ€™iniezione possono essere di spessore e dimensione idonea a sopportare pressioni e tensioni differenti. Ottimi risultati sono stati ottenuti con le miscele poliuretaniche bi-componente con reazione esotermica capace di innalzare la temperatura della miscela fino a 100°C e con ottimi risultati in relazione allâ€™efficacia del trattamento. - compatibility with exothermic reaction chemical mixtures even with considerable heat development, since the injection pipes can be of suitable thickness and size to withstand different pressures and tensions. Excellent results have been obtained with the two-component polyurethane blends with exothermic reaction capable of raising the temperature of the mixture up to 100 ° C and with excellent results in relation to the effectiveness of the treatment.

Il sistema che qui si vuole brevettare Ã ̈ stato progettato per risolvere una problematica puntuale riscontrata nel cantiere Italferr SpA della Rete Ferroviaria Italiana, sito in Catania e piÃ¹ precisamente relativo al â€œraddoppio Catania C.le -Catania Ognina, tecnologie ed opere civili - lotto 2â€ . Nel cantiere in oggetto fra le opere da realizzare vi Ã ̈ lâ€™allargo di una galleria esistente realizzata fra il 1954 ed il 1958 su terreno lavico ed in particolare sul contatto fra due colate successive delle quali la piÃ¹ superficiale, denominata â€œlava del Rotoloâ€ , particolarmente scoriacea, fratturata e con granulometria tale da poter essere assimilata a sabbia ghiaiosa. In tale contesto il progettista si Ã ̈ trovato a dover dimensionare un consolidamento differenziato fra la porzione dei piedritti della galleria e la calotta. Il grado di attenzione nella fase di consolidamento Ã ̈ amplificato dal fatto che la galleria in specie si trova al di sotto di un quartiere popolare del centro cittadino densamente popolato, e per tale ragione il valore dei cedimenti ammessi in funzione della classe di danno ammessa Ã ̈ molto basso. Il progetto posto a base di gara prevedeva lâ€™iniezione in radiale con sistema tradizionale di tubi in VTR e miscele cementizie tradizionali. Tale metodologia di consolidamento mal si adattava alla tipologia di materiale effettivamente incontrato, essendo stato necessario integrare le indagini effettuate e progettare una miscela idonea alla coesione dellâ€™ammasso roccioso, si Ã ̈ verificato che il VTR tradizionale e lâ€™impiego di paker di iniezione non consentivano la messa in opera delle miscele. In tale contesto Ã ̈ stato progettato e testato, con ottimi risultati il sistema di iniezione M-l, tuttâ€™ora inserito nel progetto esecutivo di variante per lâ€™imprevisto geologico riscontrato in fase di scavo, accettato da Italferr SpA. The system that we want to patent here was designed to solve a specific problem encountered in the Italferr SpA shipyard of the Italian Railway Network, located in Catania and more precisely relating to the â € œdouble Catania C.le -Catania Ognina, technologies and civil works - lot 2â €. In the construction site in question among the works to be carried out there is the extension of an existing tunnel built between 1954 and 1958 on lava soil and in particular on the contact between two successive flows of which the most superficial, called â € œlava del Rotoloâ €, particularly slag, fractured and with such a grain size that it can be assimilated to gravel sand. In this context, the designer found himself having to dimension a differentiated consolidation between the portion of the gallery piers and the cap. The degree of attention in the consolidation phase is amplified by the fact that the tunnel in particular is located below a densely populated working-class district of the city center, and for this reason the value of the permissible settlements according to the permitted damage class is very low. The project based on the tender involved radial injection with the traditional system of GRP pipes and traditional cement mixtures. This consolidation methodology did not adapt well to the type of material actually encountered, since it was necessary to integrate the investigations carried out and design a mixture suitable for the cohesion of the rock mass, it was verified that the traditional GRP and the use of injection did not allow the use of the mixtures. In this context, the M-l injection system was designed and tested with excellent results, still included in the executive design of the variant due to the geological unforeseen encountered during the excavation, accepted by Italferr SpA.

Claims

CLAIMS 1. Device for the consolidation and stabilization of the ground during excavations in trenches or in tunnels, composed of a resistant central element of reinforcement and around this a plurality of pipes for the injection of expansive mixtures confluent in sealing bags.

2. Device according to claim 1, characterized in that said armature element are made of fiberglass.

3. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that said armature element has a rough outer surface.

4. Device according to claims 1 and 3, characterized in that said armature element is made of composite material with carbon fibers, aramid fibers, natural fibers, polyvinyl alcohol fibers and the like.

5. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that said injection tubes flow into obturator bags.

6. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that said injection tubes flow freely into the ground.

7. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that said tubes are fixed to the central reinforcement element by means of metal bands, bandages with adhesive tape reinforced with glass fibers and the like.

8. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that a conical guide pin is present at the end.

9. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that said obturator bags are fixed to the outside of said system consisting of armor and tubes with metal clamps, bandages with adhesive tape reinforced with glass fibers and the like.