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RILIEVO ED ANALISI DELLE  FRATTURE PER LA COSTRUZIONE DI GALLERIE

 

Al momento di effettuare il rilievo delle fratture su un modello 3-D di una generica galleria, il modello 3-D deve:

  • includere fronte, piedritti e corona. Tuttavia, troppo spesso viene modellato solamente il fronte, e questo può portare a sottostimare notevolmente il numero di famiglie di fratture, come spiegato di seguito;
  • rappresentare correttamente l'intera geometria dei piedritti e della corona, in caso contrario molte fratture saranno artificialmente obliterate;
  • assegnare correttamente i pixel alla geometria 3-D del modello, altrimenti le tracce delle fratture genereranno orientamenti errati delle fratture. Questo non può essere ottenuto con un laser scanner (LIDAR) perché c'è sempre un offset tra immagini e nuvole di punti che vengono acquisiti in modo separato. LRRT, invece, crea la nuvola di punti dai pixel stessi delle fotografie e questo garantisce l'esatta sovrapposizione dei pixel sulla geometria del modello 3D.
  • riportare correttamente il colore della roccia, al fine di apprezzare il tipo di roccia, le intrusioni, le vene, le infiltrazioni d'acqua, ecc ...

LRRT  ha sviluppato tecniche speciali per ottenere tutti questi risultati senza arrecare disturbo all’intero processo di costruzione.`

Le figure sopra riportate illustrano un esempio di un modello tridimensionale completo del fronte, delle pareti, e della corona realizzato con fotografie ad alta qualità (cliccate su una figura per ingrandirla). Si noti che i modelli delle pareti rappresentano correttamente la geometria fino al fronte della galleria, senza zone d’ombra. In questo modello sono stati riportati le tracce e i piani di frattura: i colori si riferiscono alle diverse famiglie di fratture identificate nello stereogramma (clicca per ingrandire), dove il colore bianco indica le fratture che non sono state assegnate ad alcuna famiglia. In una galleria di larghezza pari 6 m, su un totale di 260-280 fratture individuate, solo 40 di esse sono state individuate sul fronte. Ciò è dovuto alla diversa modalità con cui la roccia viene staccata: lungo i piedritti e la calotta vengono utilizzate tecniche di smooth blasting per tagliare accuratamente la roccia, mentre fronte le tecniche dello smooth blasting non possono essere utilizzate e le fratture vengono “spalmate” e sono di difficile individuazione. In molti casi, quando il rilievo delle fratture si limita esclusivamente nella zona del fronte, importanti famiglie di fratture non parallele al fronte non vengono identificate affatto.

 

Il numero di fratture osservate per ogni misurazione è in linea con le raccomandazioni dettate dalla ISRM (Società Internazionale per la Meccanica delle Rocce) al fine di ottenere una caratterizzazione statistica affidabile di tutte fratture presenti su un singolo affioramento di roccia, e questo consente una razionale progettazione di ingegneria delle rocce (ISRM 1978. Suggested methods for the quantitative description of discontinuities in rock masses". Int. Journal Rock Mechanics, Mining Sciences & Geomechanical Abstr. 15: 319–368). Sarebbe molto difficile acquisire una tale quantità di informazioni mediante mezzi tradizionali (geologi che si spostano su piattaforme all’interno della galleria per effettuare misurazioni a mano) perché queste operazioni richiederebbero diverse ore di lavoro in prossimità del fronte, a diversi metri di altezza e al di sotto si un ammasso che non è ancora stato messo in sicurezza. In molti Paesi, è persino vietato avvicinarsi troppo al fronte della galleria e sicuramente andare sotto un ammasso non messo in sicurezza: in questi casi, la mappatura tradizionale delle fratture è semplicemente impossibile.

 

Nel seguito vengono esposti alcuni esempi di utilizzo delle suddette informazioni; anche se non tutti i seguenti utilizzi possono essere di interesse, l'obiettivo è quello di evidenziare i possibili impieghi del modello tridimensionale realizzato con le immagini ad alta risoluzione fornito dal Laboratorio Rocce e Ricerca Tonon s.r.l..

Interazione tra fratture della roccia e volate

L’analisi dell’ingente mole di dati che si può acquisire per ciascuno sfondo con le nostre tecniche ha portato all’osservazione che, in diversi casi, alcuni sistemi di fratture sono propri dell’ammasso, mentre altri sistemi nascono invece dall’interazione tra le fratture di giacitura random e le volate.

Similmente si può spiegare la rotazione (tra avanzamenti successivi) della direzione di sistemi di fratture, come le fratture appartenenti alla famiglia di colore arancione nelle figure precedenti, che appaiono concentrate all’estremita’ delle canne di sparo della volta; durante l’avanzamento i-esimo, le onde generate dallo sparo incontrano la superficie libera costituita dal fronte (i-1)-esimo e creano una nuova rottura lungo la famiglia arancione, con relativo sovrascavo lungo l’asse della galleria. E' altamente improbabile che questo dettaglio e le sue conseguenze vengano apprezzati e documentati senza l'uso di un modello 3-D realizzato con fotografie ad alta risoluzione.

Raggruppamenti (clusters) di fratture e intensità delle fratture

Ecco un tipico esempio di raggruppamento (cluster) di fratture: la scala dell’immagine è pari a circa 1 m e, in questo caso, si sono utilizzati il colore rosso per indicare dischi creati a partire da tracce di fratture e il colore celeste per indicare dischi creati a partire da piani di fratture. Tali raggruppamenti di fratture sono tipicamente responsabili della maggioranza delle venute d’acqua in galleria. La loro documentazione tramite modelli 3D permette di conoscere con esattezza dove si sono incontrati tali raggruppamenti durante lo scavo di una galleria (per esempio se in futuro si riscontra una venuta d’acqua anomala dal rivestimento definitivo) e la loro caratterizzazione (compresi sistemi  geostatistici e il sistema Pij di Dershowitz) permette di affinare il modello previsionale delle venute d’acqua preparato in fase progettuale.

Coalescenza delle fratture

L’esame delle fratture sul modello tridimensionale permette anche di notare quando fratture della stessa famiglia si uniscano a formare una frattura a gradini, come illustrato in questa figura. Tale fenomeno spiega parte della variabilità delle orientazioni misurate per una singola famiglia di fratture e riduce o addirittura annulla l’affidabilità della stima delle dimensioni dei blocchi basata sulla dimensione delle fratture naturali. Abbiamo infatti sovente notato come diversi blocchi disgaggiati siano delimitati da fratture appartenenti alla stessa famiglia di fratture che, sebbene inizialmente distinte, si sono unite in un’unica frattura a causa dello sparo e del cambio dello stato tensionale causato dallo scavo. Similmente, diversi blocchi, anche di rilevanti dimensioni, sono delimitati da fratture che non sono riconducibili ad alcun sistema di frattura; tali blocchi non sono perciò prevedibili tramite la teoria dei blocchi basata unicamente sui sistemi di frattura.

Precisione delle tracce di frattura

Questo esempio illustra un tipico caso in cui due fratture della stessa famiglia sono state digitalizzate in modo diverso: digitalizzando un piano di frattura, oppure digitalizzando una traccia di frattura. I due dischi che ne risultano hanno la medesima orientazione, a conferma dell’accuratezza della digitalizzazione delle fratture e del sistema usato. Questa è una conseguenza del fatto che LRRT attribuisce in maniera attenta e accurata i pixel alla superficie tridimensionale reale. Come risultato, le lunghezze delle tracce di frattura possono essere determinate con precisione; LRRT ha sviluppato tecniche per ricavare le dimensioni delle fratture dalla distribuzione di probabilità delle tracce delle  fratture (F. Tonon, and Chen, S. Closed-form and numerical solutions for the probability distribution function of fracture diameters. Int. J. of Rock Mech. and Mining Sci. 44 (3), 2007, 332-350. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2006.07.013). Infine, la possibilità di ruotare, manipolare e zoomare il modello tridimensionale con fotografie ad alta risoluzione permette di identificare agevolemte relazioni tra strutture e/o giunti che altrimenti sarebbero difficilmente identificabili in sito, specialmente durante il tempo limitato a disposizione del geologo.

 

 

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