Una sfida tecnologica

Visita al cantiere del lotto più meridionale della Galleria di Base del Brennero: il “Sottoattraversamento dell’Isarco”. Le opere di questo lotto collegheranno la Galleria di Base con la linea ferroviaria storica del Brennero e la stazione di Fortezza. Complessivamente saranno realizzati 4,5 km di gallerie principali e 1,2 km di gallerie di interconnessione con la linea ferroviaria esistente. Particolarità: saranno sottoattraversate l’autostrada del Brennero A22, la strada statale SS12, la linea ferroviaria esistente e in particolar modo il fiume Isarco, utilizzando il congelamento dei terreni come tecnica di consolidamento

Al centro delle Alpi è in corso di realizzazione il collegamento sotterraneo più lungo al mondo, la galleria di base del Brennero, che unirà Fortezza in Italia ad Innsbruck in Austria.
In particolare, il progetto prevede la costruzione di una galleria lunga circa 55 km, tra Innsbruck e Fortezza che, in prossimità della città austriaca, sarà collegata in sotterraneo all'esistente circonvallazione, raggiungendo complessivamente una lunghezza pari a 64 km. L'opera principale consiste in due gallerie a semplice binario, con un interasse variabile, compreso fra 40 e 70 m, collegate fra loro ogni 333 m tramite cunicoli trasversali.
Il tracciato previsto sottopassa il fiume Isarco in località Fortezza, dove avverrà anche l'interscambio con la linea ferroviaria esistente attraverso gallerie di interconnessione. E qui sarà necessario vincere una vera e propria sfida tecnologica.
A illustrarne i dettagli durante la visita al cantiere del lotto Isarco sono stati il Geol. Angelo Lombardi di BBT-SE - la società per azione europea incaricata della realizzazione dell'intero progetto della Galleria di Base del Brennero - e l'Ing. Alberto Palomba di Salini Impregilo - la società italiana che ha ottenuto l'appalto per il lotto in oggetto in consorzio con l'austriaca Strabag.
Le difficoltà nascono dal fatto che, in corrispondenza dell'alveo del fiume, in presenza di ricoprimenti variabili fra 5 e 8 m, devono essere realizzate 4 gallerie sotterranee a singolo binario, con diametro di scavo di circa 10 m, due per i binari di linea e due per le interconnessioni con la linea storica esistente. Le 4 gallerie, scavate a foro cieco a partire da pozzi posti lateralmente l'alveo del fiume, presentano lunghezze comprese fra 56 e 63 m. La tipologia delle opere e le modalità realizzative sono state scelte al fine di minimizzare l'impatto delle nuove opere sul fiume, evitando di alterare il suo normale flusso, a tutela del contesto ambientale e dell'assetto ecomorfologico, sono state previste infatti solo modeste parzializzazioni dell'alveo nel periodo di magra per consentire la realizzazione delle opere di protezione del fiume, quali la sistemazione degli argini e del fondo alveo con massi ciclopici.
Considerati i modesti valori di coprimento rispetto al fondo alveo del fiume ed il delicato contesto geotecnico e idrogeologico, si è ritenuto che lo scavo in sotterraneo potesse avvenire solo previa esecuzione di interventi di consolidamento dei terreni, sovrapponendo più tecnologie: nella fattispecie l'adozione di iniezioni di miscele cementizie ed impermeabilizzanti in abbinamento alla tecnologia del congelamento.
Quest'ultima appare infatti come la tecnologia più sicura per garantire la tenuta idraulica del profilo di scavo; nel contempo la fascia di terreno congelato presenta prestazioni meccaniche tali da affidargli anche la statica della galleria nel breve termine, in associazione al rivestimenti di prima fase.
Data la presenza di un fiume a pochi metri dal terreno da congelare, la fase transitoria di attivazione del congelamento si presenta come la più critica a causa della velocità che l'acqua può presentare nello spessore di subalveo; da qui la necessità di eseguire, in anticipo alla fase di congelamento, il trattamento di una fascia di terreno al contorno della galleria mediante iniezioni di miscele, atte a ridurre la permeabilità del terreno e con essa la velocità di circolazione della falda e dell'acqua di circolazione di subalveo.
Una prima fase di progettazione definitiva è terminata nel 2013 ed ha previsto, per la tratta di sottoattraversamento del fiume, di realizzare le opere sotterranee spostando e parzializzando in più fasi il corso d'acqua, procedendo poi allo scavo in artificiale con complesse operazioni di getto della soletta, che prevedevano fra l'altro l'impiego di lavorazioni da eseguirsi in immersione da parte di operatori subacquei.
Soltanto in fase di progettazione esecutiva, nel 2016, si è proceduto a una revisione e semplificazione, prevedendo lo scavo a foro cieco con congelamento dei terreni. Il modello idrogeologico è stato attualizzato nel corso del progetto.

Inquadramento morfologico, geologico e idrogeologico
"L'idrogeologia locale - ha spiegato il Geol. Lombardi - è caratterizzata essenzialmente dai corpi idrici superficiali del fiume Isarco, del Rio Vallaga e del Rio Bianco. Nei depositi alluvionali del fondovalle - ghiaie e sabbie arrotondate, con frequenti trovanti e intrammezzati da spessi strati di limo sabbioso - e nei conoidi di deiezione situati a fianco di essi vi è una falda idrica sotterranea che, almeno a tratti, è in contatto idraulico con il fiume Isarco. L'andamento della falda idrica nel fondovalle varia fra 4 m e 10 m sotto il piano campagna. Il potente acquifero costituisce un flusso che accompagna il fiume Isarco ed ha, come direzione principale, la direzione di scorrimento del corso fluviale". L'orizzonte della falda idrica è delimitato ai lati ed alla base dal substrato roccioso del granito di Bressanone. Dai conoidi di deiezione del Rio Vallaga e del Rio Bianco vi è un apporto laterale di acqua di falda.

Indagini geologiche e geotecniche preliminari
Oltre alla raccolta e valutazione della documentazione esistente e al rilevamento di dettaglio geologico e geomorfologico, è stato eseguito un primo programma d'indagini con sondaggi a carotaggio continuo e la costruzione di un primo pozzo per la valutazione idrogeologica dell'acquifero in fondovalle.
Ancora il Geol. Lombardi ha spiegato che "sono stati realizzati complessivamente 16 sondaggi di prospezione geologica-geotecnica e sono state effettuate prove di pompaggio, sia brevi che lunghe. Sulla base delle conoscenze acquisite è stato elaborato un primo modello tridimensionale di flusso della falda nell'area d'indagine e poi, sulla base di una seconda campagna d'indagine (anni 2009-2010), è stata eseguita una seconda modellizzazione. A questo punto è stato possibile eseguire delle simulazioni per definire i diversi scenari di dewatering della futura area di cantiere da adottare per la progettazione delle opere. Sulla base del modello geologico, geotecnico ed idrogeologico è stato elaborato il Progetto Definitivo, che prevedeva la realizzazione delle gallerie abbassando la falda con una serie di pozzi e spostando e parzializzando in più fasi il corso del fiume".
Tuttavia in fase di Progettazione Esecutiva, nel 2016, è stata sviluppata una diversa soluzione progettuale, finalizzata a semplificare la soluzione costruttiva e a ridurre l'impatto ambientale. Tale soluzione prevede essenzialmente lo scavo in galleria naturale del settore di fondovalle, preceduto da interventi di consolidamento dei terreni nei diversi settori, mediante jet-grouting, iniezioni e congelamento dei terreni ed eliminando essenzialmente l'abbassamento della falda e lo spostamento provvisorio del fiume, originariamente previsti. Dal momento che il progetto prevede consistenti operazioni di jet grouting e di congelamento dei terreni, la problematica idrogeologica ha costituito uno dei principali aspetti da tenere in conto per un corretto dimensionamento degli interventi.
"Nella soluzione prevista dal Progetto Definitivo - ha spiegato il Geol. Lombardi - assumeva importanza fondamentale la valutazione su grande scala (ettometrica-kilometrica) dei parametri idrogeologici, quali ad esempio la conducibilità idraulica, per cui era stata scelta ed effettuata un'indagine mediante una prova di pompaggio a scala regionale. Per contro nella soluzione di Progetto Esecutivo, assumono maggiore importanza le caratteristiche locali (scala decametrica o al più ettometrica). Pertanto, le permeabilità dei terreni sono state determinate puntualmente con classiche prove tipo Lefranc, mentre le velocità di falda sono state determinate attraverso l'esecuzione di test di tracciamento con immissione nei fori di sondaggio di fluorescina sodica. Le conducibilità idraulica dei depositi alluvionali variano perlopiù fra 1x10-5 e 1x10-3 m/s e generano, anche in presenza di gradienti idraulici non particolarmente elevati, velocità di falda dell'ordine di alcuni metri al giorno".
Il Progetto Esecutivo prevede inoltre l'esecuzione di ulteriori sondaggi in fase di progettazione costruttiva, al fine di disporre di un maggiore dettaglio della situazione geologica del sottosuolo lungo il tracciato delle opere. Ciò ha consentito una miglior definizione delle facies litologiche e quindi, in definitiva, una miglior definizione degli strati con importanza idrogeologica permettendo di individuare con buona approssimazione i sedimenti alluvionali e i sedimenti di conoide.

L'intervento di sottoattraversamento
La realizzazione delle gallerie avverrà da pozzi, di forma ellittica, ubicati sulle sponde del fiume, si provvederà all'esecuzione degli interventi di consolidamento dai pozzi stessi con lunghezze di perforazione di circa 35 m al fine di garantire una sovrapposizione centrale degli interventi di almeno 4-5. Successivamente lo scavo avverrà una galleria alla volta, eseguendo da subito il rivestimento definitivo in calcestruzzo armato.
Gli interventi proposti sono i seguenti:
• 66 perforazioni per la realizzazione di interventi di consolidamento mediante iniezione di miscele cementizie ed integrative impermeabilizzanti, eseguite da tubi di diametro 2'';
• 88 perforazioni per la posa di sonde congelatrici, poste all'interno di tubi in acciaio diametro 114 mm/spessore 10 mm, disposti al contorno del cavo a interasse di circa 50 cm. In corrispondenza della calotta, per circa 120 gradi, i tubi sono posati su due file; la più esterna, con interasse di circa 56 cm, è posta a distanza di 40 cm da quella interna;
• perforazioni per la posa di sonde termometriche per il controllo dell'efficacia del congelamento, disposte attraverso lo spessore congelato ed in estradosso allo stesso, specie in corrispondenza della calotta, nel settore più prossimo al fiume;
• 12 perforazioni al fronte di scavo, attrezzate con elementi strutturali in VTR a tre piatti, e tubo in PVC 2 vvl/ml per la realizzazione di consolidamenti in corrispondenza del nucleo-fronte.

La fase di consolidamento
"La fase di perforazione per l'installazione della strumentazione per l'esecuzione dei consolidamenti - ha chiarito l'Ing. Palomba - ha rappresentato un aspetto tecnico piuttosto complesso, a causa della presenza della falda e della granulometria molto eterogenea del terreno, che comprende anche l'abbondante presenza di grossi blocchi e trovanti".
Da segnalare che uno specifico "campo prova" svoltosi nel periodo giugno-settembre 2015 ha permesso di dettagliare i parametri operativi di intervento e sperimentare l'efficacia dei trattamenti, predisponendo le specifiche tecniche.
"Durante questo campo prova - ancora l'Ing. Palomba - sono state prima testate e poi definite due tipologie differenti di perforazione: per il congelamento le perforazioni saranno eseguite utilizzando dei tubi metallici di diametro 114 mm che saranno direttamente lasciati nel terreno per ospitare le sonde congelatrici; per le iniezioni le perforazioni saranno eseguite con il sistema tipo "simmetrix", che consente di perforare contemporaneamente con il rivestimento costituito da un tubo metallico di diametro 140 mm".
Terminata la perforazione, verranno recuperate la testa perforante e la batteria di aste, inserito il tubo per l'iniezione che, a differenza di quanto utilizzato solitamente, sarà in acciaio per facilitarne l'inserimento anche in presenza di venute d'acqua o materiale dal foro, ed infine verrà recuperato il rivestimento esterno contemporaneamente alla realizzazione dell'iniezione di guaina del tubo valvolato. Le perforazioni, da eseguirsi sottofalda, prevedono l'uso del "preventer" così da evitare il drenaggio dell'acqua ed il trascinamento di materiale fine. Per tutte le perforazioni dovrà essere misurato l'effettivo andamento plano-altimetrico mediante misurazioni di precisione topografica con sistemi del tipo "Maxibor". In questo modo sarà possibile individuare i fori che hanno subito deviazioni eccessive ed intervenire con eventuali perforazioni integrative.
"Per l'esecuzione dei consolidamenti mediante iniezione di miscele - ha evidenziato l'Ing. Palomba - sono stati previsti, sempre nell'ambito del campo prova, cementi tipo 425, con rapporto A/C pari a 1 per la miscela di guaina, e con rapporto A/C pari a 1,2/1,4 per la miscela di iniezione; in quest'ultimo caso la resistenza della miscela a 48 ore risultava maggiore di 3 Mpa. Quale miscela impermeabilizzante si è impiegata la miscela tipo Litosil, miscelando componenti a base di silicati. I mix design delle miscele testate sono stati poi riportati in progetto. Nel campo di prova, così come poi sarà in fase di realizzazione, le iniezioni sono state condotte in due passate a seguito dell'iniezione di guaina: la prima con miscele cementizie e la seconda con miscele impermeabilizzanti. Si sono adottate pressioni nel range 15-25 bar (spunti di aperture delle valvole anche superiori a 30 bar) considerando una pressione residua di 5 bar".

La fase di congelamento
Ecco come l'Ing. Palomba ha spiegato questa fase dell'intervento: "La tecnologia del congelamento prevede dapprima l'estrazione progressiva di calore dal terreno, finchè la sua temperatura risulti al di sotto del punto di congelamento dell'acqua di falda (fase di congelamento) e successivamente il mantenimento della temperatura raggiunta dosando opportunamente il flusso di calore estratto, fino a che le operazioni di scavo e costruzione della struttura definitiva siano completate (fase di mantenimento). Lo scopo viene raggiunto mediante l'impiego di sonde, al cui interno viene fatto circolare in prima istanza azoto liquido in un circuito aperto e successivamente per la fase di mantenimento "salamoia" in un circuito chiuso".
In progetto si è definito congelato il terreno che raggiunge una temperatura minore o uguale a -10 C°; si è previsto un guscio congelato a tale temperatura pari a 100 m, con resistenza a compressione superiore a 5 Mpa. Attraverso la distribuzione dei sensori delle sonde termometriche è possibile ricostruire una mappatura delle temperature nel terreno soggetto all'intervento e determinare correttamente lo spessore del guscio congelato; allo scopo, per ciascun sensore è possibile definire una temperatura target, raggiunta la quale l'intervento di congelamento può dirsi raggiunto.
"Le attività svolte nel campo di prova - ha precisato sempre l'Ing. Palomba - hanno permesso di verificare l'efficacia del trattamento di congelamento, valutando i consumi di azoto liquido e una stima preliminare dei kW necessari per il mantenimento a salamoia. Al termine della fase di congelamento si sono riscontrate temperature mediamente nel range da -15 a -25 C° (talora anche fino a -40 o -50 C°), osservando le minori temperature a fondo foro, dove si sono riscontrate temperature localmente anche fino a -80 C°".
Le gallerie di sottoattraversamento saranno a tenuta di pressione. Si prevede quindi un'impermeabilizzazione di tipo "full round" senza drenaggio delle acque di falda. Si avrà la posa di uno strato di geotessile, seguito da due strati di PVC, uno di impermeabilizzazione, spessore pari a 3 mm, ed uno di protezione, spessore pari a 2 mm.
Il sistema proposto comprende infine la compartimentazione dei conci di getto; ciascun concio del rivestimento definitivo viene isolato rispetto ai conci adiacenti mediante opportuni giunti in fibra minerale e con bandelle in PVC dotate di 6 elementi di ancoraggio, così da poter facilmente individuare le porzioni di impermeabilizzazione eventualmente danneggiate ed intervenire per la riparazione mediante l'iniezione di opportune resine attraverso valvole disposte nella misura di 1 ogni 24 m2.
Per la realizzazione del rivestimento definitivo si sono impiegati cls di ottime caratteristiche, finalizzati a garantire compattezza e minore penetrabilità all'acqua: si è adottata una classe di resistenza C35/45, impiegando additivi cristallizzanti in caso di contatto all'acqua. Inoltre si è previsto nel getto l'inserimento di fibre in polipropilene, in ragione di 2 kg/m2, quale azione di protezione passiva in caso di incendio.
Da ultimo si è previsto un notevole infittimento dell'armatura longitudinale, di ripartizione, al fine di migliorare la statica della galleria verso possibili azioni di trascinamento della corrente di subalveo, agenti ortogonalmente l'asse delle gallerie.
"Il sistema di prove e controlli messo a punto durante l'esecuzione del campo prova - ha infine concluso l'Ing. Palomba - sarà seguito anche nella fase di costruzione delle opere, consentendo di verificare passo passo, la qualità degli interventi eseguiti ed il raggiungimento dei requisiti di progetto per ciascuna delle lavorazioni".

 

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