L'introduzione alla costruzione del tunnel implica la comprensione dello scopo, della storia e delle basi della costruzione del tunnel.

Un tunnel è un passaggio sotterraneo scavato nel terreno, nella roccia o in entrambi. I tunnel sono utilizzati per il trasporto, il convogliamento dell'acqua, le acque reflue e i condotti di servizio. Hanno una lunga storia di utilizzo, che risale alle antiche civiltà, e sono diventati sempre più importanti nella società moderna per lo sviluppo dei trasporti e delle infrastrutture.

Tunnel Boring Machine (TBM)) che viene movimentata all'interno di un tunnel sotterraneo.

Le basi della costruzione del tunnel comportano una serie di passaggi che includono il rilevamento e l'indagine del sito, la progettazione del tunnel, lo scavo e la costruzione e il lavoro di finitura finale. Queste fasi devono essere attentamente pianificate ed eseguite per garantire la sicurezza e la durabilità della galleria, nonché per ridurre al minimo l'impatto sull'ambiente circostante.

La costruzione di tunnel comporta anche l'uso di attrezzature e tecniche specializzate, come macchine per la perforazione di tunnel, esplosivi e sistemi di supporto, che richiedono lavoratori e ingegneri qualificati. Il processo di costruzione deve anche tenere conto di potenziali pericoli come le acque sotterranee, l'instabilità del suolo e il rischio di crollo.

Nel complesso, la costruzione del tunnel è un processo complesso e impegnativo che richiede un'attenta pianificazione, esecuzione e monitoraggio per garantire il completamento con successo del progetto.

Scopo e tipi di tunnel

I tunnel sono passaggi sotterranei costruiti attraverso una varietà di materiali rocciosi o di terra. Lo scopo dei tunnel varia e possono essere utilizzati per il trasporto, l'approvvigionamento idrico, le fognature, l'energia idroelettrica, l'estrazione mineraria e altri scopi.

I tunnel possono essere ampiamente classificati nelle seguenti categorie in base al loro scopo:

  1. Tunnel di trasporto: questi tunnel sono costruiti per il traffico veicolare, il trasporto ferroviario e l'uso pedonale. Gli esempi includono tunnel stradali, tunnel ferroviari e passaggi pedonali.
  2. Tunnel di utilità: questi tunnel sono utilizzati per trasportare tubi, cavi e altri servizi di utilità, come acqua, gas, elettricità e telecomunicazioni.
  3. Tunnel minerari: questi tunnel sono costruiti in operazioni minerarie per l'estrazione di minerali e minerali.
  4. Gallerie idroelettriche: Queste gallerie sono utilizzate per convogliare l'acqua alle centrali idroelettriche, dove la forza dell'acqua viene utilizzata per generare elettricità.
  5. Tunnel fognari: questi tunnel vengono utilizzati per trasportare i liquami da un luogo a un altro, solitamente da un impianto di trattamento a un punto di scarico.

Il tipo di tunnel scelto per un progetto specifico dipenderà dalla sua destinazione d'uso, nonché dalle condizioni geologiche e ambientali del sito.

Contesto storico della costruzione del tunnel

La storia della costruzione di tunnel risale a migliaia di anni fa, con i primi esempi di tunnel utilizzati per scopi di irrigazione, estrazione mineraria e trasporto. Gli antichi Greci e Romani erano noti per la loro ingegneria dei tunnel, con tunnel utilizzati per acquedotti, sistemi fognari e trasporti. Nel Medioevo venivano costruite gallerie a scopo difensivo, come vie di fuga segrete o per condurre attacchi a sorpresa alle fortezze nemiche.

Contesto storico della costruzione del tunnel

Nell'era moderna, la costruzione di tunnel è progredita in modo significativo con l'introduzione delle tecniche di perforazione e brillamento nel 1800. Lo sviluppo della TBM (tunnel boring machine) a metà del 1900 ha ulteriormente rivoluzionato la costruzione di gallerie consentendo uno scavo più rapido ed efficiente. Oggi i tunnel sono costruiti per un'ampia gamma di scopi, tra cui il trasporto (come strade, ferrovie e metropolitane), il trasporto dell'acqua, l'estrazione mineraria e lo stoccaggio.

Indagine del sito e considerazioni geologiche

L'indagine del sito e le considerazioni geologiche sono aspetti critici dei progetti di costruzione del tunnel. È necessaria un'approfondita indagine del sito per determinare le condizioni geologiche e geotecniche nella posizione proposta del tunnel, nonché per identificare eventuali rischi geologici potenziali che potrebbero influire sulla costruzione e sul funzionamento del tunnel. Le condizioni geologiche del sito possono avere un impatto significativo sulla progettazione del tunnel, sui metodi di costruzione e sul costo complessivo del progetto.

L'indagine del sito in genere comporta una combinazione di mappatura geologica, indagini geofisiche e perforazione per ottenere campioni di suolo e roccia per i test di laboratorio. La mappatura geologica prevede lo studio delle formazioni rocciose superficiali e delle loro caratteristiche, compreso il loro orientamento, forza e permeabilità. Le indagini geofisiche utilizzano tecniche non invasive per indagare le formazioni rocciose del sottosuolo e rilevare eventuali anomalie che possono indicare la presenza di pericoli geologici come guasti, fratture e acque sotterranee. La perforazione fornisce una comprensione più dettagliata delle condizioni del sottosuolo ottenendo campioni di suolo e roccia per i test di laboratorio.

Le considerazioni geologiche durante la costruzione del tunnel includono il tipo e la resistenza della roccia o del terreno attraverso il quale viene scavato il tunnel, la presenza di acque sotterranee e le sue caratteristiche di flusso, la possibilità di attività sismica e il potenziale di pericoli geologici come frane e frane. Le condizioni geologiche possono anche influire sulla scelta del metodo di scavo, come l'uso di una macchina per la perforazione di tunnel rispetto ai metodi di perforazione e esplosione.

Nel complesso, un'indagine approfondita del sito e la comprensione delle condizioni geologiche nella posizione del tunnel sono fondamentali per la costruzione sicura e di successo di un tunnel.

Importanza dell'indagine sul sito

L'indagine del sito è un aspetto importante della costruzione del tunnel in quanto aiuta a identificare potenziali pericoli geologici e altri fattori che potrebbero influenzare il processo di costruzione. Un'indagine approfondita del sito può aiutare a determinare le caratteristiche del suolo e della roccia, la presenza di acque sotterranee e il potenziale di attività sismica. Queste informazioni possono essere utilizzate per sviluppare un progetto appropriato per il tunnel, nonché per identificare eventuali rischi o sfide potenziali che potrebbero dover essere affrontati durante il processo di costruzione. Inoltre, un'indagine in loco può aiutare a identificare eventuali potenziali impatti ambientali o sociali del progetto, che possono essere affrontati attraverso adeguate misure di mitigazione. Nel complesso, un'indagine in loco è una fase critica nel processo di costruzione del tunnel, in quanto fornisce informazioni importanti per la progettazione e la costruzione di un tunnel sicuro ed efficace.

Metodi di indagine del sito

Esistono diversi metodi che possono essere utilizzati per l'indagine del sito per la costruzione del tunnel. Alcuni dei metodi comuni sono:

  1. Studio da scrivania: uno studio a tavolino comporta una revisione della letteratura esistente, carte geologichee report e qualsiasi altra informazione rilevante sul sito.
  2. Rilievo geofisico: Ciò comporta l'uso di varie tecniche geofisiche per ottenere informazioni sul sottosuolo, come indagini sismiche, georadar, indagini di resistività e indagini elettromagnetiche.
  3. Fori: I pozzi vengono perforati nel terreno per ottenere campioni di terreno e roccia per i test di laboratorio. Possono anche essere utilizzati per ottenere misurazioni in situ della pressione e della permeabilità delle acque sotterranee.
  4. Pozzi di prova: I pozzi di prova sono scavi realizzati per fornire un'ispezione visiva del sottosuolo e possono essere utilizzati per ottenere campioni di terreno per test di laboratorio.
  5. Mappatura del campo: La mappatura del campo comporta la mappatura della geologia della superficie, delle strutture geologiche e di qualsiasi caratteristica della superficie che potrebbe influenzare la costruzione del tunnel.
  6. Strumentazione: Vari strumenti possono essere installati per misurare le prestazioni del terreno durante la costruzione del tunnel. Questi strumenti possono includere inclinometri, piezometri ed estensimetri.

I metodi utilizzati per l'indagine in loco dipenderanno dalle condizioni specifiche del sito e dai requisiti del progetto.

Fattori geologici che influenzano la costruzione del tunnel

I fattori geologici giocano un ruolo significativo nella fattibilità e nella progettazione di un progetto di costruzione di un tunnel. Alcuni degli importanti fattori geologici che influenzano la costruzione del tunnel includono:

  1. Tipo di roccia o terreno: Il tipo di roccia o terreno attraverso il quale viene costruito un tunnel avrà un impatto significativo sulla sua progettazione, stabilità e metodo di costruzione.
  2. Qualità dell'ammasso roccioso: La qualità dell'ammasso roccioso, comprese le sue caratteristiche di resistenza, stabilità e deformazione, può influenzare la progettazione del tunnel, il metodo di scavo e i requisiti di supporto.
  3. Strutture geologiche: Strutture geologiche come faglie, giunti, piani di lettiera e pieghe può influenzare in modo significativo la progettazione del tunnel, il metodo di scavo e i requisiti di supporto.
  4. Le acque sotterranee: La presenza e il flusso di acque sotterranee possono influenzare la costruzione del tunnel aumentando il rischio di infiltrazioni d'acqua e causando instabilità della roccia o del terreno circostante.
  5. Sismicità: Le gallerie costruite in regioni sismicamente attive devono essere progettate per resistere alle sollecitazioni e alle deformazioni causate da terremoti.
  6. Stabilità del pendio: La stabilità dei pendii e dei pendii circostanti può influire sulla costruzione e sulla sicurezza del tunnel.
  7. Considerazioni ambientali: Le gallerie costruite in aree sensibili dal punto di vista ambientale devono essere progettate per ridurre al minimo il loro impatto sull'ecosistema circostante.

Nel complesso, un'indagine dettagliata del sito è fondamentale per comprendere i fattori geologici che possono influire sulla costruzione del tunnel e per sviluppare un progetto e un piano di costruzione adeguati.

Sistemi di classificazione degli ammassi rocciosi

I sistemi di classificazione degli ammassi rocciosi vengono utilizzati per valutare la qualità degli ammassi rocciosi e valutarne l'idoneità alla costruzione di gallerie. Questi sistemi tengono conto di una varietà di fattori, tra cui la resistenza della roccia, le discontinuità, la spaziatura dei giunti, agenti atmosfericie le condizioni delle acque sotterranee.

Un sistema di classificazione degli ammassi rocciosi comunemente utilizzato è il sistema Rock Mass Rating (RMR), sviluppato da Bieniawski nel 1973. RMR assegna valori numerici a diversi parametri come la resistenza alla compressione uniassiale, la spaziatura delle discontinuità e le condizioni delle acque sotterranee. I valori vengono quindi combinati per dare una valutazione complessiva per l'ammasso roccioso, che può essere utilizzata per prevedere la difficoltà di scavo attraverso la roccia.

Un altro sistema di classificazione degli ammassi rocciosi comunemente utilizzato è il sistema Q, sviluppato da Barton et al. nel 1974. Il sistema Q utilizza parametri simili al sistema RMR, ma pone maggiormente l'accento sull'orientamento e la persistenza delle discontinuità.

Altri sistemi di classificazione degli ammassi rocciosi includono il sistema Geological Strength Index (GSI), sviluppato da Hoek nel 1994, e il sistema Tunneling Quality Index (TQI), sviluppato da Grimstad e Barton nel 1993.

Progettazione del tunnel

La progettazione del tunnel è il processo per determinare il mezzo più efficace ed efficiente per scavare un tunnel in base alle condizioni geologiche e all'uso previsto del tunnel. Il processo di progettazione prevede generalmente i seguenti passaggi:

  1. Stabilire lo scopo del tunnel: Lo scopo del tunnel dovrebbe essere chiaramente definito al fine di determinare le dimensioni, la forma e l'allineamento appropriati del tunnel.
  2. Indagini geologiche e geotecniche: Questa fase prevede la raccolta di dati sulle caratteristiche geologiche e geotecniche del sito, come il tipo di roccia, la resistenza e la stabilità, le condizioni delle acque sotterranee e la presenza di eventuali faglie o altre caratteristiche geologiche che potrebbero influire sulla progettazione e costruzione del tunnel.
  3. Allineamento del tunnel: L'allineamento della galleria si basa su fattori quali la destinazione d'uso della galleria, le condizioni geologiche e topografiche del sito e qualsiasi considerazione ambientale. I fattori che influenzano l'allineamento di una galleria includono la presenza di faglie o altre caratteristiche geologiche, l'ubicazione delle strutture superficiali e la necessità di ridurre al minimo gli impatti ambientali.
  4. Sezione del tunnel: La sezione trasversale della galleria è determinata dallo scopo della galleria, dal traffico previsto o da altri carichi e dalle condizioni geologiche. La sezione trasversale può essere circolare, ellittica, a ferro di cavallo o altre forme a seconda delle condizioni del sito.
  5. Sistema di supporto: Il sistema di supporto è progettato per stabilizzare il tunnel durante e dopo lo scavo. Il sistema di supporto può includere bulloni da roccia, calcestruzzo proiettato, nervature in acciaio e/o rivestimento in calcestruzzo.
  6. Ventilazione e drenaggio: I sistemi di ventilazione e drenaggio sono progettati per garantire un funzionamento sicuro ed efficiente del tunnel. I sistemi di ventilazione vengono utilizzati per rimuovere i gas di scarico e fornire aria fresca a lavoratori e passeggeri, mentre i sistemi di drenaggio vengono utilizzati per rimuovere l'acqua dal tunnel e prevenire gli allagamenti.
  7. Metodi di costruzione: Vari metodi di costruzione possono essere utilizzati per lo scavo di gallerie, tra cui perforazione ed esplosione, macchine per la perforazione di gallerie (TBM) e metodi di scavo sequenziale (SEM). La scelta del metodo di costruzione appropriato dipende dalle condizioni geologiche, dall'uso previsto del tunnel e dalle attrezzature e risorse disponibili.
  8. Stima dei costi: La fase finale del processo di progettazione del tunnel è stimare il costo di costruzione in base alle specifiche di progettazione, al metodo di costruzione selezionato e alle condizioni del sito previste.

Nel complesso, la progettazione di gallerie è un processo complesso che richiede l'esperienza di geologi, ingegneri e altri specialisti per garantire la costruzione sicura ed efficiente di gallerie che soddisfino lo scopo previsto.

Parametri e considerazioni di progettazione

La progettazione di un tunnel dipende da una serie di fattori, tra cui:

  1. Scopo del tunnel: Il progetto del tunnel dipenderà dalla sua destinazione d'uso. Ad esempio, un tunnel autostradale avrà requisiti di progettazione diversi rispetto a un tunnel utilizzato per il trasporto su acqua.
  2. Condizioni del posto: La geologia e la topografia del sito influenzeranno la progettazione del tunnel. Dovranno essere considerati fattori come la resistenza della roccia, l'afflusso di acqua e i requisiti di supporto del terreno.
  3. Dimensioni del tunnel: Il diametro del tunnel, la sua lunghezza e il suo allineamento dovranno essere determinati in base alle condizioni del sito e allo scopo del tunnel.
  4. Metodo di scavo: Anche il metodo utilizzato per scavare il tunnel influenzerà il progetto. Metodi come la perforazione e l'esplosione, le macchine per la perforazione di tunnel (TBM) e il cut-and-cover avranno requisiti diversi.
  5. ventilazione: il progetto del tunnel dovrà includere disposizioni per la ventilazione per garantire la sicurezza dei lavoratori e degli utenti del tunnel.
  6. Drenaggio: Il progetto del tunnel dovrà anche includere disposizioni per il drenaggio per gestire l'afflusso di acque sotterranee e prevenire le inondazioni.
  7. Protezione antincendio: misure di protezione antincendio dovranno essere incorporate nella progettazione del tunnel per garantire la sicurezza degli utenti.
  8. Sistemi di sicurezza e viabilità: Nel progetto dovranno essere inclusi anche i sistemi per il traffico e la sicurezza come l'illuminazione, la segnaletica e i telefoni di emergenza.
  9. Considerazioni ambientali: La progettazione del tunnel dovrà considerare il potenziale impatto della costruzione e del funzionamento sull'ambiente e adottare misure per ridurre al minimo tali impatti.

Tipologie di rivestimenti di gallerie e sistemi di supporto

Esempio di schema di supporto del tunnel che include il supporto del tendine (bulloni da roccia/bulloni del cavo), il supporto dell'arco dell'ombrello (pali anteriori/spiles), set di acciaio/travi e rivestimento in calcestruzzo proiettato. 

Esistono diversi tipi di rivestimenti e sistemi di supporto utilizzati nella costruzione di gallerie e la scelta di quale utilizzare dipende da una varietà di fattori tra cui le condizioni geologiche, lo scopo del tunnel, il metodo di costruzione e il budget. Alcuni dei tipi più comuni di rivestimenti per gallerie e sistemi di supporto includono:

  1. Rivestimento in calcestruzzo proiettato: si tratta di uno strato di calcestruzzo spruzzato sulla roccia o sul terreno per fornire supporto e prevenire il collasso. Viene spesso utilizzato nei tunnel in terreno soffice e può essere applicato rapidamente.
  2. Supporto delle nervature in acciaio: le nervature in acciaio vengono utilizzate per sostenere le pareti e il tetto del tunnel. Le nervature in acciaio possono essere prefabbricate e installate rapidamente, il che le rende una scelta popolare nei tunnel in roccia dura.
  3. Rivestimento in calcestruzzo gettato in opera: comporta il getto di calcestruzzo nella cavità del tunnel per formare un rivestimento permanente. Viene spesso utilizzato in tunnel più grandi con volumi di traffico elevati.
  4. Tunnel boring machine (TBM): le TBM possono essere utilizzate per scavare tunnel e fornire supporto allo stesso tempo. Man mano che la TBM avanza, dietro di essa vengono installati dei segmenti di cemento per formare un rivestimento.
  5. Congelamento del terreno: questo metodo prevede il congelamento del terreno circostante per formare un sistema di supporto temporaneo. Viene spesso utilizzato nei tunnel che attraversano terreni o rocce ricchi di acqua.
  6. Bulloni e rete da roccia: questo metodo prevede la perforazione di fori nella roccia e l'installazione di bulloni in acciaio per fornire supporto. La rete metallica viene utilizzata anche per aiutare a stabilizzare la roccia e impedire che i detriti cadano nel tunnel.
  7. Calcestruzzo proiettato rinforzato con fibre: è simile al rivestimento con calcestruzzo proiettato ma con l'aggiunta di rinforzi in fibra per aumentare la resistenza e la durata.

La scelta del rivestimento e del sistema di supporto è spesso un compromesso tra costo, velocità di costruzione e condizioni geologiche specifiche incontrate durante lo scavo.

Sistemi di drenaggio in galleria

I sistemi di drenaggio del tunnel sono essenziali per rimuovere l'acqua che potrebbe entrare nel tunnel durante la costruzione e il funzionamento. Esistono vari tipi di sistemi di drenaggio delle gallerie, tra cui:

  1. Pozzi di drenaggio: Sono installate in prossimità del tunnel per intercettare e raccogliere le acque sotterranee prima che entrino in galleria. I pozzi di drenaggio possono essere permanenti o temporanei.
  2. Gallerie di drenaggio: Si tratta di sistemi di drenaggio integrati nel rivestimento della galleria che raccolgono l'acqua e la convogliano in un pozzetto o in una stazione di pompaggio.
  3. Pozzetti: Si tratta di camere costruite in punti bassi del tunnel dove l'acqua può raccogliersi ed essere pompata fuori.
  4. Pompe: Le pompe vengono utilizzate per rimuovere l'acqua dai pozzetti del tunnel e dalle gallerie di drenaggio e scaricarla in superficie o in un impianto di trattamento dell'acqua.

Il tipo di sistema di drenaggio utilizzato dipende dalla geologia e dall'idrologia dell'area, nonché dal metodo di costruzione e dall'allineamento del tunnel. La corretta progettazione e installazione dei sistemi di drenaggio del tunnel è importante per garantire la sicurezza e la durata a lungo termine del tunnel.

Ventilazione e illuminazione

La ventilazione e l'illuminazione sono aspetti importanti della costruzione del tunnel per garantire la sicurezza, mantenere una corretta qualità dell'aria e fornire visibilità a lavoratori e utenti. I sistemi di ventilazione sono progettati per fornire un flusso costante di aria fresca nel tunnel rimuovendo aria viziata, polvere e gas nocivi. Il sistema di ventilazione è solitamente composto da una rete di condotti di ventilazione, ventilatori e sistemi di monitoraggio della qualità dell'aria.

Sistema di ventilazione per tunnel tbm

Anche l'illuminazione è un aspetto essenziale della costruzione del tunnel, in particolare per la sicurezza e la visibilità. I sistemi di illuminazione sono generalmente progettati per fornire un'illuminazione adeguata a conducenti, pedoni e lavoratori nel tunnel. L'impianto di illuminazione può essere composto da varie tipologie di luci, quali fluorescenti, LED e ad incandescenza, a seconda delle specifiche esigenze e condizioni della galleria. La progettazione del sistema di illuminazione dovrebbe considerare anche l'efficienza energetica e l'impatto ambientale.

Modalità di scavo e costruzione delle gallerie

I metodi di scavo e costruzione del tunnel variano a seconda delle condizioni geologiche, della lunghezza e del diametro del tunnel e di altri fattori. Ecco alcuni dei metodi di scavo e costruzione di tunnel più comuni:

  1. Metodo trapano e esplosione: Questo metodo prevede la perforazione di pozzi nella parete rocciosa, quindi l'esplosione della roccia con esplosivi. I detriti risultanti vengono rimossi caricando e trasportando attrezzature.
  2. Metodo della TBM (tunnel boring machine).: Questo metodo utilizza una macchina che scava il tunnel e contemporaneamente installa il rivestimento del tunnel. Le TBM possono essere utilizzate sia per gallerie in roccia dura che per gallerie in terreno soffice.
  3. Nuovo metodo di tunneling austriaco (NATM): Questo metodo prevede lo scavo della galleria in piccole sezioni, quindi il supporto della sezione scavata con un rivestimento provvisorio, come calcestruzzo spruzzato o chiodi da roccia, prima di passare alla sezione successiva.
  4. Metodo taglia e copri: Questo metodo viene utilizzato per gallerie poco profonde e comporta lo scavo di una trincea, la costruzione del tunnel e quindi il riempimento della trincea.
  5. Metodo di scavo sequenziale (SEM): Questo metodo prevede lo scavo della galleria in piccole sezioni, utilizzando misure di appoggio e rinforzo del terreno per controllare la deformazione e stabilizzare la galleria.
  6. Scudo tunnel: Questo metodo utilizza uno scudo o un'attrezzatura specializzata simile per scavare e sostenere il tunnel allo stesso tempo.

La scelta del metodo di scavo dipende da vari fattori quali la lunghezza e il diametro della galleria, la geologia, le condizioni della falda, le risorse disponibili e considerazioni ambientali.

Metodo trapano e esplosione

Il metodo drill and blast è una tecnica tradizionale utilizzata per lo scavo di gallerie e prevede la perforazione di fori nella roccia o nel terreno, il riempimento dei fori con esplosivi e quindi la detonazione degli esplosivi per frammentare la roccia o il suolo. La roccia frammentata o il terreno viene quindi rimosso utilizzando macchinari o lavoro manuale.

Nel metodo drill and blast, una serie di fori viene praticata nella roccia o nel terreno utilizzando attrezzature specializzate come perforatrici da roccia o macchine per la perforazione di gallerie. I fori sono tipicamente distanziati a intervalli regolari e disposti secondo uno schema progettato per ottenere il profilo di scavo desiderato. Una volta praticati i fori, vengono caricati con esplosivi, che vengono poi fatti esplodere utilizzando un grilletto remoto.

Dopo l'esplosione, la roccia frantumata o il suolo vengono rimossi utilizzando escavatori o caricatori e il tunnel viene stabilizzato utilizzando un sistema di supporto. Il sistema di supporto può includere bulloni da roccia, archi in acciaio o rivestimenti in calcestruzzo, a seconda della natura della roccia o del terreno e dei requisiti del progetto.

Il metodo del trapano e dell'esplosione può essere molto efficace per lo scavo di gallerie nella roccia dura, ma può anche richiedere molto tempo e denaro, in particolare nelle aree densamente popolate dove il rumore e le vibrazioni derivanti dall'esplosione possono costituire un problema.

Metodo della TBM (tunnel boring machine).

Il metodo Tunnel Boring Machine (TBM) è una tecnica popolare utilizzata per lo scavo di tunnel in una varietà di condizioni geologiche. Una TBM è una macchina cilindrica di grandi dimensioni in grado di scavare attraverso vari tipi di terreno e roccia utilizzando una testa di taglio rotante con frese a disco, che può scavare il fronte del tunnel installando contemporaneamente il rivestimento del tunnel.

Alesatrice per tunnel

Il metodo TBM è generalmente preferito per i tunnel lunghi e rettilinei, poiché richiede meno manodopera e può lavorare a una velocità molto più elevata rispetto ad altri metodi di scavo. Il metodo TBM è preferito anche nelle aree urbane dove è necessario ridurre al minimo l'impatto sulla comunità circostante, in quanto produce meno rumore, vibrazioni e polvere rispetto ad altri metodi.

Il metodo TBM prevede in genere i seguenti passaggi:

  1. Scavo del pozzo di lancio: All'inizio del tunnel viene scavata una grande fossa dove verrà montata la TBM.
  2. Montaggio e varo della TBM: La TBM viene assemblata nella parte inferiore del pozzo di lancio e quindi lanciata nel tracciato del tunnel.
  3. Scavo con TBM: La TBM scava il terreno o la roccia davanti ad essa e contemporaneamente installa conci prefabbricati in calcestruzzo o altri materiali di rivestimento della galleria.
  4. Rimozione del fango: Il materiale di scavo, o "fango", viene trasportato fuori dal tunnel utilizzando un nastro trasportatore o una tubazione per liquami.
  5. Installazione del rivestimento del tunnel: Una volta che la TBM ha scavato una certa lunghezza del tunnel, i conci prefabbricati in calcestruzzo o altri materiali di rivestimento del tunnel vengono installati dietro la TBM.
  6. Recupero TBM: Quando la TBM raggiunge la fine del tunnel, viene smontata e recuperata dal tunnel utilizzando lo stesso pozzo di lancio.

Metodo taglia e copri

Il metodo cut-and-cover è una tecnica utilizzata per la costruzione di gallerie poco profonde o strutture sotterranee. In questo metodo, una trincea viene scavata nel terreno e la struttura viene costruita al suo interno. La trincea viene quindi ricoperta con il materiale di scavo o con una soletta prefabbricata in calcestruzzo.

Metodo taglia e copri

Questo metodo è adatto per la costruzione di gallerie in aree urbane o in aree dove il traffico di superficie è un problema. È anche una tecnica efficace per la costruzione di stazioni ferroviarie sotterranee, percorsi pedonali e tunnel di drenaggio delle acque piovane. Tuttavia, il metodo presenta alcune limitazioni, come l'elevato costo di costruzione, l'interruzione del traffico di superficie durante lo scavo e le limitazioni sulla profondità dello scavo.

Nuovo metodo di tunneling austriaco (NATM)

Nuovo metodo di tunneling austriaco (NATM)

Il New Austrian Tunneling Method (NATM) è un metodo di costruzione di gallerie sviluppato negli anni '1960 in Austria. È anche noto come metodo di scavo sequenziale (SEM). NATM prevede lo scavo del tunnel in piccole sezioni o "derive", solitamente di circa 3-4 metri di lunghezza, e quindi il rinforzo immediato della sezione scavata con uno strato di calcestruzzo proiettato e bulloni da roccia o nervature d'acciaio. La roccia o il terreno circostante fornisce ulteriore supporto. Questo metodo consente flessibilità nell'adattamento alle condizioni geologiche incontrate durante lo scavo ed è particolarmente adatto per terreni soffici o instabili. NATM ha anche il vantaggio di essere relativamente veloce ed economico, poiché non richiede l'uso estensivo di macchinari pesanti. Tuttavia, per essere efficace richiede un alto livello di abilità e competenza da parte del team di costruzione.

Sistemi di supporto per gallerie

I sistemi di supporto del tunnel vengono utilizzati per stabilizzare il terreno e prevenire il collasso durante lo scavo del tunnel. La scelta del sistema di supporto dipende da una varietà di fattori, tra cui la geologia del terreno, il tipo di galleria che si sta costruendo e il metodo di scavo utilizzato. Alcuni tipi comuni di sistemi di supporto per tunnel includono:

  1. Bulloni da roccia: si tratta di lunghe aste di acciaio che vengono inserite nei fori e cementate in posizione. Forniscono rinforzo e stabilizzazione dell'ammasso roccioso trasferendo i carichi tra i blocchi di roccia.
  2. Calcestruzzo proiettato: si tratta di una miscela di calcestruzzo spruzzato che viene applicata alla superficie rocciosa esposta per formare un guscio sottile, che funge da supporto temporaneo fino alla costruzione del rivestimento finale.
  3. Archi in acciaio: si tratta di archi in acciaio prefabbricati o fabbricati su misura che vengono utilizzati per sostenere il tetto e le pareti del tunnel.
  4. Cemento armato: questo è un materiale di rivestimento comune per i tunnel. Il cemento armato viene gettato in opera o prefabbricato fuori sede e quindi installato nel tunnel.
  5. Centine in acciaio e rivestimento: questo è un metodo di supporto del tunnel in cui vengono installate nervature in acciaio e quindi viene posizionato un rivestimento in legno tra di loro. Il rivestimento aiuta a mantenere il terreno in posizione fino alla costruzione del rivestimento finale.
  6. Congelamento del terreno: questo è un metodo di supporto utilizzato in condizioni di terreno soffice in cui il terreno è congelato utilizzando azoto liquido o altri refrigeranti. Questo crea un muro di ghiaccio attorno al tunnel, che fornisce un supporto temporaneo fino all'installazione del rivestimento finale.

La scelta del sistema di supporto dipende dalle condizioni geologiche, dal metodo di scavo e dal progetto del tunnel. Il sistema di supporto deve fornire un supporto temporaneo durante lo scavo e la costruzione, nonché un supporto a lungo termine per mantenere la stabilità del tunnel per tutta la sua vita.

Chiodatura da roccia e spritzbeton

La bullonatura della roccia e il calcestruzzo proiettato sono due tecniche comuni utilizzate per il supporto del tunnel nella costruzione sotterranea.

La bullonatura della roccia comporta la perforazione di fori nella parete rocciosa e l'inserimento di bulloni in acciaio nei fori, che vengono poi stuccati in posizione. I bulloni aiutano a sostenere la roccia e ne impediscono il crollo.

shotcreting

Lo shotcreting, d'altra parte, consiste nello spruzzare uno strato di calcestruzzo sulla parete rocciosa utilizzando un tubo ad alta pressione. Il cemento fornisce un supporto aggiuntivo e aiuta a prevenire la caduta di massi.

Entrambe le tecniche possono essere utilizzate in combinazione con altri sistemi di supporto, come nervature o reti in acciaio, per fornire ulteriore rinforzo alle pareti e al tetto del tunnel. Il sistema di supporto specifico utilizzato dipenderà dalla geologia del tunnel e dai requisiti di progettazione.

Archi e nervature in acciaio

Gli archi e le nervature in acciaio sono comunemente usati nella costruzione di tunnel per fornire un supporto aggiuntivo al rivestimento del tunnel. Di solito sono realizzati in acciaio o una combinazione di acciaio e cemento e sono installati lungo le pareti del tunnel per fornire ulteriore resistenza e stabilità alla massa rocciosa.

Gli archi in acciaio sono generalmente utilizzati per gallerie poco profonde con una luce inferiore a 10 metri, mentre le nervature in acciaio sono utilizzate per gallerie più grandi con una luce superiore a 10 metri. Gli archi o le nervature in acciaio sono tipicamente installati secondo uno schema predeterminato e sono tenuti in posizione mediante bulloni da roccia, che sono lunghe aste d'acciaio ancorate nella roccia che circonda il tunnel.

L'utilizzo di archi e nervature in acciaio è particolarmente utile nelle formazioni rocciose instabili, dove l'ammasso roccioso tende a deformarsi o collassare. Gli archi o le nervature possono aiutare a ridistribuire il carico e fornire ulteriore supporto al rivestimento della galleria, contribuendo a garantire la stabilità e la sicurezza della galleria.

Rivestimenti in cemento armato

I rivestimenti in cemento armato sono comunemente usati per la costruzione di gallerie in quanto forniscono un supporto strutturale duraturo e forte. I rivestimenti in cemento armato sono tipicamente utilizzati in gallerie con grandi diametri e maggiori requisiti di stabilità. Il rivestimento fornisce resistenza ai carichi esterni, sostiene il carico del terreno sovrastante e protegge il tunnel dall'ingresso di acqua e dalla corrosione.

Il processo di costruzione di un rivestimento in cemento armato prevede le seguenti fasi:

  1. Montaggio della cassaforma: la cassaforma, che è una struttura temporanea, viene eretta in base alla forma e alle dimensioni della sezione trasversale del tunnel.
  2. Posizionamento dell'acciaio di armatura: L'acciaio di armatura viene posizionato all'interno della cassaforma secondo i requisiti di progettazione.
  3. Getto di calcestruzzo: una volta che l'acciaio di rinforzo è in posizione, il calcestruzzo viene versato nella cassaforma. Il design della miscela di calcestruzzo è tipicamente progettato per ottenere un'elevata resistenza e durata.
  4. Indurimento: dopo che il calcestruzzo è stato versato, deve essere indurito per un periodo di tempo specifico per raggiungere la resistenza del progetto. L'indurimento può essere effettuato mediante indurimento a umido o mediante l'applicazione di composti indurenti sulla superficie del calcestruzzo.
  5. Smontaggio della cassaforma: una volta che il calcestruzzo ha raggiunto una resistenza sufficiente, la cassaforma viene rimossa, rivelando il rivestimento in calcestruzzo indurito.

I rivestimenti in cemento armato possono essere progettati in varie forme e dimensioni a seconda dell'allineamento del tunnel e delle condizioni geologiche. In alcuni casi vengono utilizzati conci prefabbricati in calcestruzzo, fabbricati fuori sede e assemblati all'interno del tunnel utilizzando attrezzature specializzate.

Sfide e soluzioni per la costruzione di gallerie

La costruzione del tunnel può presentare molte sfide che devono essere affrontate per garantire il completamento con successo del progetto. Alcune delle sfide comuni nella costruzione di tunnel includono:

  1. Condizioni geotecniche: le condizioni geologiche del sito possono influenzare notevolmente il processo di costruzione, rendendo più impegnativo lo scavo del tunnel. Ad esempio, i tunnel costruiti attraverso formazioni rocciose dure sono più facili da scavare rispetto a quelli costruiti attraverso un terreno soffice.
  2. Acque sotterranee: le acque sotterranee possono rappresentare una sfida durante la costruzione del tunnel, in quanto possono indebolire i sistemi di supporto del tunnel e causare instabilità. Devono essere installati adeguati sistemi di drenaggio e disidratazione per evitare allagamenti e danni al tunnel.
  3. Ventilazione: la ventilazione è fondamentale nella costruzione del tunnel per fornire aria fresca e rimuovere polvere, fumi e gas che possono accumularsi nel tunnel. Una ventilazione adeguata è necessaria per la sicurezza dei lavoratori e il funzionamento efficiente delle apparecchiature.
  4. Spazio limitato: lo spazio limitato nel tunnel può rendere difficile la manovra di attrezzature e materiali pesanti, che possono rallentare il processo di costruzione. Soluzioni innovative, come apparecchiature telecomandate e sistemi robotici, possono aiutare a mitigare questa sfida.
  5. Sicurezza: la costruzione di gallerie può essere pericolosa a causa dei rischi di crollo, caduta massi, inondazioni, incendi ed esplosioni. Devono essere implementate misure di sicurezza rigorose per proteggere i lavoratori e il pubblico.

Per affrontare queste sfide, i progetti di costruzione di tunnel richiedono un'attenta pianificazione ed esecuzione. Le moderne tecnologie come la progettazione assistita da computer, i modelli di simulazione e il monitoraggio in tempo reale possono aiutare nella pianificazione e nell'esecuzione dei progetti di costruzione del tunnel. Inoltre, professionisti esperti di tunneling che comprendono la geologia e l'ingegneria dei tunnel possono aiutare a identificare potenziali sfide e sviluppare soluzioni efficaci.

Afflusso e disidratazione dell'acqua

Durante la costruzione del tunnel, una delle sfide principali è la gestione dell'afflusso di acqua. L'acqua può penetrare nel tunnel dalle formazioni rocciose circostanti o dalle acque sotterranee. Questo può portare a problematiche quali allagamenti, instabilità dello scavo ed erosione del rivestimento della galleria.

Per gestire gli afflussi idrici, viene spesso installato un sistema di drenaggio. Ciò comporta l'installazione di pompe e sistemi di drenaggio per rimuovere l'acqua dal tunnel durante lo scavo. Il sistema di drenaggio può essere progettato per gestire sia gli afflussi di acque sotterranee che superficiali.

In alcuni casi, il grouting può anche essere utilizzato per ridurre gli afflussi idrici riempiendo vuoti e fratture nell'ammasso roccioso circostante. Inoltre, è possibile installare una membrana o un rivestimento impermeabile per impedire innanzitutto all'acqua di entrare nel tunnel.

Altre sfide durante la costruzione del tunnel possono includere la gestione di condizioni geologiche difficili, come ad esempio guasto zone o roccia altamente fratturata. Queste sfide possono essere affrontate attraverso un'attenta indagine del sito, metodi di scavo appropriati e sistemi di supporto efficaci.

È importante notare che ogni progetto di costruzione di tunnel è unico e può presentare una propria serie di sfide, che richiedono soluzioni su misura per superarle.

Rischi geologici e geotecnici

I pericoli geologici e geotecnici sono sfide comuni incontrate durante la costruzione di gallerie. Questi pericoli possono includere esplosioni di roccia, terreno schiacciato, zone di faglia, afflussi di acqua alta, emissioni di gas e altre condizioni geologiche e geotecniche avverse.

Le esplosioni di roccia si verificano quando le sollecitazioni nell'ammasso roccioso superano la forza della roccia, causando cedimenti improvvisi e violenti. Lo schiacciamento del terreno si verifica quando l'ammasso roccioso si deforma sotto elevate pressioni di confinamento, portando alla convergenza delle pareti del tunnel. Le zone di faglia possono essere problematiche perché possono contenere materiali sciolti e deboli, che possono richiedere misure di supporto aggiuntive.

Gli alti afflussi d'acqua possono anche rappresentare una sfida durante la costruzione del tunnel. Potrebbero essere necessari metodi di disidratazione per controllare l'ingresso di acqua nel tunnel. Anche le emissioni di gas, come il metano, possono essere pericolose e richiedono un attento monitoraggio.

Le soluzioni a queste sfide includono un'attenta indagine e pianificazione del sito per identificare potenziali pericoli, l'uso di adeguati sistemi di supporto del tunnel e l'implementazione di efficaci sistemi di drenaggio e ventilazione. Inoltre, l'uso di tecnologie avanzate come la modellazione 3D e le simulazioni al computer possono aiutare a identificare potenziali pericoli e ottimizzare la progettazione del sistema di supporto del tunnel. Il monitoraggio regolare durante la costruzione può anche aiutare a rilevare e affrontare potenziali pericoli prima che diventino un problema serio.

Impatti ambientali e misure di mitigazione

La costruzione di gallerie può avere una serie di impatti ambientali, tra cui:

  1. Distruzione e frammentazione dell'habitat: la costruzione di tunnel può causare la frammentazione e la perdita di habitat per una varietà di flora e fauna.
  2. Erosione e sedimentazione del suolo: le attività di scavo e costruzione possono portare all'erosione e alla sedimentazione del suolo, che possono danneggiare gli ecosistemi acquatici.
  3. Inquinamento idrico: la costruzione di tunnel può portare al rilascio di sostanze inquinanti nelle fonti d'acqua vicine, che possono danneggiare gli organismi acquatici.
  4. Inquinamento atmosferico: la costruzione di tunnel può rilasciare nell'aria polvere, fumi di scarico e altri inquinanti, che possono danneggiare la salute umana e l'ambiente.
  5. Inquinamento acustico: la costruzione di tunnel può generare alti livelli di rumore, che possono disturbare i residenti nelle vicinanze e la fauna selvatica.

Per mitigare questi impatti, è possibile adottare una serie di misure, tra cui:

  1. Ripristino dell'habitat: è possibile compiere sforzi per ripristinare l'habitat nelle aree che sono state interessate dalla costruzione del tunnel.
  2. Controllo dell'erosione e dei sedimenti: per prevenire l'erosione e la sedimentazione del suolo è possibile utilizzare misure quali recinti di limo e bacini di sedimentazione.
  3. Trattamento dell'acqua: l'acqua può essere trattata prima di essere scaricata per rimuovere gli inquinanti.
  4. Controllo dell'inquinamento atmosferico: misure come l'abbattimento della polvere e l'uso di veicoli e attrezzature a basse emissioni possono essere impiegate per ridurre l'inquinamento atmosferico.
  5. Barriere antirumore e isolamento: le barriere e l'isolamento possono essere utilizzate per ridurre la quantità di rumore che raggiunge i residenti nelle vicinanze e la fauna selvatica.
  6. Monitoraggio e conformità: è possibile effettuare un monitoraggio regolare per garantire il rispetto degli standard ambientali e qualsiasi problema che si presenti può essere affrontato tempestivamente.

Manutenzione e riabilitazione delle gallerie

La manutenzione e la riabilitazione del tunnel sono aspetti importanti della gestione del tunnel per garantire il loro funzionamento sicuro ed efficiente durante la loro vita di progetto. Alcune delle attività chiave coinvolte nella manutenzione e riabilitazione del tunnel sono:

  1. Ispezione e monitoraggio di routine: sono necessari ispezioni e monitoraggio regolari delle strutture, dei rivestimenti e dei sistemi di supporto della galleria per rilevare eventuali segni di deterioramento o danno.
  2. Pulizia e rimozione dei detriti: la regolare pulizia del tunnel e la rimozione di detriti, sedimenti e altri ostacoli dai sistemi di drenaggio, dai tunnel di accesso e dai sistemi di ventilazione è importante per garantire un funzionamento regolare e sicuro.
  3. Riparazioni e manutenzione: le attività di riparazione e manutenzione come stuccatura, riempimento di fessure e sostituzione di componenti danneggiati o corrosi sono essenziali per mantenere l'integrità della struttura del tunnel.
  4. Aggiornamenti e ammodernamento: per migliorare la sicurezza e l'efficienza possono essere necessari aggiornamenti e ammodernamento dei sistemi di tunnel come l'illuminazione, la ventilazione e i sistemi di comunicazione.
  5. Riabilitazione e rafforzamento: la riabilitazione e il rafforzamento delle strutture del tunnel possono essere necessarie a causa del deterioramento o dei cambiamenti nell'uso del tunnel.
  6. Gestione del rischio e preparazione alle emergenze: i piani di gestione del rischio e di preparazione alle emergenze sono importanti per garantire la sicurezza degli utenti della galleria e per ridurre al minimo l'impatto di eventuali incidenti o inconvenienti.

Nel complesso, le attività di manutenzione e riabilitazione del tunnel richiedono un'attenta pianificazione ed esecuzione per garantirne l'efficacia e ridurre al minimo i disagi per gli utenti del tunnel.

Monitoraggio e manutenzione delle gallerie

Il monitoraggio e la manutenzione delle gallerie sono fondamentali per garantire la sicurezza e la longevità della struttura della galleria. Un monitoraggio regolare può aiutare a identificare i segni di deterioramento o danno, che possono essere affrontati prima che diventino problemi gravi. Alcuni metodi comuni di monitoraggio dei tunnel includono ispezioni visive, strumentazione e test non distruttivi.

Le ispezioni visive comportano l'ispezione fisica del tunnel alla ricerca di segni di usura, come crepe, perdite e danni al rivestimento o ai sistemi di supporto. La strumentazione prevede l'installazione di sensori per misurare vari parametri come temperatura, umidità, pressione dell'acqua e movimento del suolo. Per valutare l'integrità della struttura del tunnel possono essere utilizzate anche tecniche di test non distruttivi come radar a penetrazione nel terreno, test a ultrasuoni e ispezione con particelle magnetiche.

Le attività di manutenzione possono includere la pulizia del tunnel, la riparazione di danni o perdite e la sostituzione di componenti usurati o danneggiati come illuminazione, sistemi di ventilazione e sistemi di supporto. La riabilitazione può essere necessaria per affrontare danni o deterioramenti più significativi e può comportare tecniche come stuccatura, spritzcreting o applicazione di un nuovo rivestimento.

Nel complesso, il monitoraggio e la manutenzione regolari sono fondamentali per garantire la sicurezza e la funzionalità a lungo termine delle gallerie e possono aiutare a prevenire costose riparazioni o persino guasti catastrofici.

Casi di studio di progetti di costruzione di gallerie

Ci sono molti esempi di importanti progetti di costruzione di tunnel in tutto il mondo. Eccone alcuni degni di nota:

  1. Channel Tunnel: noto anche come "Chunnel", questo tunnel collega il Regno Unito e la Francia sotto la Manica. È lungo 31.4 miglia, il che lo rende il tunnel sottomarino più lungo del mondo. Il tunnel è costituito da due gallerie ferroviarie parallele e da una galleria di servizio.
  2. Tunnel di base del San Gottardo: questo tunnel, situato in Svizzera, è attualmente il tunnel ferroviario più lungo del mondo, misurando 35.5 miglia di lunghezza. È una parte fondamentale della nuova ferrovia transalpina, che collega Zurigo e Milano.
  3. Tunnel di sostituzione del viadotto Alaskan Way: questo tunnel, situato a Seattle, Washington, ha sostituito un'autostrada sopraelevata obsoleta che era vulnerabile ai terremoti. Il tunnel è lungo due miglia e porta la State Route 99 sotto il centro di Seattle.
  4. Crossrail: Questa è una nuova importante linea ferroviaria attualmente in costruzione a Londra, in Inghilterra. Comprende un tunnel a doppia canna di 13 miglia che correrà sotto la città e collegherà 40 stazioni.
  5. Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge: questo progetto di ponte-tunnel collega le città di Hong Kong, Zhuhai e Macao in Cina. Comprende una sezione di tunnel di 4.2 miglia che scorre sotto il Mar Cinese Meridionale.

Tutti questi progetti hanno presentato sfide uniche in termini di geologia, condizioni del sito e metodi di costruzione. Sono buoni esempi dell'importanza di un'attenta pianificazione, indagine del sito e progettazione nella costruzione di tunnel di successo.

Lezioni apprese dai progetti di costruzione di tunnel falliti

Le lezioni apprese da progetti di costruzione di tunnel falliti possono aiutare ingegneri e professionisti dell'edilizia a evitare errori simili in futuro. Alcuni motivi comuni per i fallimenti della costruzione del tunnel includono indagini inadeguate sul sito, progettazione e pianificazione inadeguate, sistemi di supporto insufficienti e condizioni geologiche o geotecniche impreviste.

Ad esempio, il crollo del tunnel in costruzione per il progetto dell'autostrada Big Dig a Boston, Massachusetts, nel 2006 è stato dovuto a una combinazione di fattori, tra cui indagini inadeguate sul sito, progettazione difettosa e pratiche di costruzione inadeguate. Di conseguenza, il team di costruzione ha dovuto intraprendere un'ampia opera di riparazione per risolvere i problemi, con conseguenti ritardi significativi e sforamenti dei costi.

Allo stesso modo, la costruzione del progetto Crossrail a Londra è stata ritardata e ha dovuto affrontare un superamento dei costi a causa di condizioni geologiche e geotecniche impreviste. Il progetto ha incontrato condizioni del terreno difficili, inclusi strati di sabbia, ghiaia e argilla, che hanno richiesto ulteriori misure di supporto e rinforzo.

Le lezioni apprese da tali incidenti possono includere la necessità di rigorose indagini e test sul sito, una migliore comunicazione tra progettisti e team di costruzione, l'implementazione di protocolli di sicurezza più solidi e l'uso di tecnologie e attrezzature avanzate per monitorare e gestire le attività di costruzione.

Testimonianze

  1. Campana, FG (2007). Geologia ingegneristica e costruzione. Spon Press.
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  4. Associazione nazionale acque sotterranee. (2019). Acque sotterranee e pozzi. C.R.C. Press.
  5. Novakowski, KS e Wilkin, RT (2011). Bonifica delle acque sotterranee e del suolo: progettazione del processo e stima dei costi di tecnologie collaudate. John Wiley & Figli.
  6. Robery, PC (2013). Introduzione al tunneling. C.R.C. Press.
  7. Rojek, J. (2015). Tunneling e meccanica del tunnel: un approccio razionale al tunnelling. C.R.C. Press.
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  10. Yilmaz, I. (2010). Analisi dei dati sismici: elaborazione, inversione e interpretazione dei dati sismici. Società di geofisici di esplorazione.