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La Società Italiana Gallerie ci porta sul cantiere delle stazioni del centro storico della nuova linea della metropolitana di Milano, la M4 o linea blu
La linea metropolitana
La Linea M4 attraversa Milano per circa 15 km da ovest ad est lungo viale Lorenteggio, passando a sud del centro storico e lungo gli assi Indipendenza, Argonne e Forlanini fino all'Aeroporto di Linate. Il tracciato della M4 migliora l'offerta trasportistica della città, incrementando le possibilità di carico e l'interconnessione con la rete metropolitana esistente e ferroviaria suburbana, con importanti benefici per l'intero sistema di trasporto pubblico della città. Sono previsti infatti due interscambi con le esistenti linee metropolitane, uno con la linea rossa, in corrispondenza della stazione San Babila, ed uno con la linea verde, in corrispondenza della stazione Sant'Ambrogio; mentre in corrispondenza della stazione di Sforza-Policlinico si favorirà un collegamento pedonale con la linea gialla presso la stazione Missori. Ci saranno poi tre interscambi con le linee ferroviarie suburbane: uno con le linee S5, S6 e S9, in corrispondenza della stazione Forlanini, uno con le linee S1, S2, S5, S6, S13, in corrispondenza della stazione Dateo ed uno con la linea S9, in corrispondenza della stazione San Cristoforo, dov'è presente anche la corrispondenza con la ferrovia Milano-Mortara. È previsto infine un interscambio con l'aerostazione di Linate (Figura 1).
La M4 sarà una "metropolitana leggera ad automatismo integrale": il sistema sarà completamente automatizzato, senza conducenti sui convogli (driverless), con porte automatiche di banchina e sistema di segnalamento CBTC (Communication Based Train Control, Figura 2). I treni presentano una lunghezza di 50 metri, così come le banchine delle stazioni. Il dimensionamento relativamente leggero delle strutture, in particolare le stazioni, ha reso più agevoli e meno impattanti i lavori di realizzazione della linea, specie nel congestionato tessuto urbano del centro storico.
La nuova M4 attraversa infatti quartieri ad elevata densità abitativa. Per questa ragione le metodologie di costruzione sono state concepite in modo da minimizzare gli impatti in superficie e adattarsi a un sottosuolo principalmente costituito da materiali granulari, quali sabbi e ghiaie, a luoghi limose, in presenza di falda acquifera. Gli scavi in sotterraneo, per la realizzazione della linea, hanno previsto l'impiego di soluzioni meccanizzate, così da limitare il disturbo verso la superficie in termini di cedimenti attesi. Inoltre, la scelta di prevedere due gallerie a singolo binario ha consentito maggiore flessibilità sulle scelte di tracciato, sia planimetrico che altimetrico.
Le gallerie di linea sono state tutte costruite a foro cieco (ad eccezione della zona del Deposito-Officina) mediante 6 TBM di tipo EPB (Earth Pressure Balance, Figura 3) con camera di scavo in pressione, con le seguenti geometrie:
- Due TBM aventi diametro di scavo pari circa a 6,36 m, utilizzate per la realizzazione della tratta da Linate Aeroporto fino alla Stazione Tricolore.
- Due TBM con diametro di scavo 9,15 m utilizzata per la tratta dalla stazione Coni-Zugna alla stazione Tricolore, in corrispondenza delle stazioni profonde del centro storico; la maggiore dimensione delle gallerie, in questo settore, ha consentito di allocare le banchine di stazione direttamente all'interno della sagoma interna della galleria di linea, evitando di dover realizzare gallerie di stazioni in sotterraneo con sistema "tradizionale", previa realizzazione di estesi interventi di consolidamento; soluzione che avrebbe sicuramente determinato un maggior impatto sulle preesistenze, sia in termini di installazioni di cantiere, sia di disturbo.
- Due TBM aventi diametro di scavo pari circa a 6,71 m utilizzate per la tratta dal manufatto Ronchetto, in zona San Cristoforo, fino alla stazione di Coni-Zugna.
Il contesto geologico-geotecnico di intervento
La stratigrafia di Milano è caratterizzata da depositi sedimentari, costituiti prevalentemente da ghiaie sabbiose con lenti locali di sabbie limose fini. Fino a profondità di 30-35 m da piano campagna le curve granulometriche mostrano una presenza media del 50% di sabbie, del 30% di ghiaie e del 15-20% di limi con argilla. Da attenzionare la presenza di strati con percentuali più elevate di granulometria fine, e spessori variabili da pochi centimetri fino a 1-2 metri, che può rappresentare una criticità rispetto alle tecnologie di consolidamento del terreno. Le proprietà meccaniche del terreno possono essere così riassunte: angolo di attrito nel range 33°÷38° e coesione nulla; modulo di deformabilità crescente con la profondità, da 20-30 MPa in superficie fino a 150-300 MPa in corrispondenza delle profondità raggiunte dai lavori. I valori di permeabilità sono compresi tra 8·10-6 m/s e 1·10-4 m/s, in funzione della distribuzione granulometrica. Il livello delle acque sotterranee si colloca mediamente intorno ai 104-105 m s.l.m; la quota del piano campagna è di circa 118 m s.l.m., per cui il livello della falda si trova a 13-15 m al di sotto del p.c.. Considerando che la quota di fondo scavo varia tra 84 e 92 m s.l.m., il battente idraulico risulta particolarmente elevato, da 12 m fino a 18 m, corrispondente a 1,2-1,8 bar.
Le stazioni metropolitane
Per la realizzazione delle stazioni e dei manufatti si è cercato di ricorrere il più possibile al metodo costruttivo costituito da scavi a cielo aperto sostenuti da diaframmi in ca. con sistema "bottom-up", ovvero realizzando gli scavi fino a fondo pozzo (previa esecuzione di tamponi di fondo di terreno consolidato per garantire l'impermeabilità degli scavi), per poi realizzare le strutture interne in risalita. La geometria di tali opere "a pozzo" è dipesa dalla disponibilità di aree in superficie per la localizzazione delle stesse e delle aree di cantiere necessarie. Lungo l'asse Linate - San Babila, i corpi di stazione sono stati realizzati all'interno dei parterre centrali dei viali, interferendo in modo limitato con la viabilità e disponendo parallelamente di sufficienti aree di cantiere. La stessa tipologia è stata applicata principalmente anche per le stazioni della tratta San Cristoforo - Coni-Zugna. Uno schema rappresentativo di tali stazioni è riportato in Figura 4; si noti che queste stazioni raggiungono profondità massime di 15-18 m e presentano una larghezza tale da ospitare le banchine di stazione, così che le gallerie di linea "attraversano" le stazioni.
Diversamente, nell'ambito del centro storico, il tessuto urbano altamente congestionato ha comportato difficoltà nell'ubicazione dei pozzi di stazione, che necessariamente sono stati ridotti in dimensione e funzionali ad ospitare solo gli accessi di stazione, i collegamenti verticali e gli spazi tecnologici; le banchine di stazione sono state invece collocate all'interno delle gallerie di linea, che corrono in fianco ai pozzi di stazione, e ad essi collegati mediante cunicoli, sia di passaggio pedonale, sia per la gestione della ventilazione e dei collegamenti impiantistici. Inoltre, in questo settore centrale della città, la necessità di sottopassare le tre linee metropolitane esistenti, nonché garantire maggiori distanze tra i nuovi scavi ed i piani di fondazione degli edifici esistenti, ha comportato che il tracciato sia risultato più profondo, e, conseguentemente, anche le stazioni hanno raggiunto profondità più elevate, fino a 35-40 m da piano campagna. Lo schema rappresentativo di queste stazioni del centro storico è riportato in Figura 5, dove si può notare la ridotta dimensione trasversale interna, dell'ordine dei 10-12 m massimo. Le maggiori profondità raggiunte e la localizzazione dei cantieri in aree densamente urbanizzate hanno comportato un'importante sfida costruttiva che ha reso necessario mettere a punto soluzione costruttive "ad hoc" descritte in dettaglio nel seguito.
Le stazioni del centro storico e le metodologie costruttive
Dal punto di vista architettonico-funzionale, la sezione delle stazioni è suddivisa in sei livelli: l'atrio di ingresso, accessibile con scale mobili e scale fisse dal piano strada, è sempre configurato in modo che l'utenza percepisca con immediatezza gli spazi di collegamento alle banchine. Il blocco delle discenderie, che comprende tre scale mobili e una scala fissa, connette il piano atrio al piano banchine superando un dislivello di circa 15-20 metri. Tra l'atrio e la banchina si collocano altri 4 livelli interrati in cui trovano allocazione locali funzionali alla gestione della stazione ed alcuni impianti, tra i quali quelli di condizionamento e ventilazione. Al quinto interrato (il livello delle banchine) si ritrova l'area aperta al pubblico: un ampio spazio centrale permette la distribuzione dei flussi verso i quattro fornici di collegamento ai treni (due per ciascuna banchina, aventi larghezza di 420 cm). Gli ascensori da piano campagna raggiungono il piano atrio, e da qui, altri ascensori consentono di raggiungere il piano banchina. Gli ascensori sono dedicati principalmente agli utenti a mobilità ridotta e agli utenti con cicli, avendo dimensioni compatibili con il loro trasporto. Il piano sottobanchina è a tutti gli effetti un piano tecnico, che accoglie alcuni locali quadri, circuitatori e sezionatori, macchine ascensori, telecomunicazioni e telecontrollo. Infine, un locale raccolta e sollevamento acque nere serve la vasca d'aggottamento al livello inferiore. Sempre al piano sottobanchina è presente la raccolta dell'aria proveniente dall'effetto pistone, che da questo piano si incanala verso la superficie. Un'uscita di sicurezza per il pubblico è posizionata in modo contrapposto alla discenderia principale, lato ascensori, e trova sfogo direttamente al piano campagna mediante un'opportuna griglia a ribalta.
Dal punto di vista costruttivo, le stazioni profonde del centro storico sono state realizzate con il metodo di scavo "top-down", sempre garantendo condizioni di «idrostatismo» in fase di scavo, ovvero evitando qualsiasi aggottamento d'acqua, al fine di non provocare depressioni della falda piezometrica con il conseguente rischio di possibili subsidenze associate. L'obiettivo è stato perseguito realizzando dei diaframmi in c.a. lungo l'intero perimetro, caratterizzati da un'altezza massima di circa 42 m, uno spessore di 1.0÷1.20 m e una larghezza di pannello pari a 2.80 m. Completa l'intervento la realizzazione di un tampone di fondo (Figura 7) eseguito mediante iniezioni di miscele cementizie ed integrative impermeabilizzanti, poste in opere mediante "tube-a-manchette" secondo la tecnica dei volumi e delle pressioni controllate. Si sono previsti spessori di tamponi variabili tra 8.50 m e 12,00 m a seconda del piano di scavo raggiunto. Il dimensionamento del tappo è stato infatti dimensionato per garantire l'equilibrio in direzione verticale fra sottospinte idrauliche, presenti fino a 1.6-1.8 bar, e i carichi stabilizzanti: peso del tampone di fondo, peso del terreno soprastante il tampone, attrito all'interfaccia diaframma-tampone. Si è inoltre verificato che il tampone funzionasse correttamente anche come elemento strutturale, verificando che non insorgessero tensioni di trazioni a causa delle sottopressioni idrauliche.
Sui diaframmi laterali si è realizzata, da subito la copertura sia per funzionare da puntone sommitale per i diaframmi, sia al fine di impiegare la copertura stessa come superficie di cantiere per lo stoccaggio di materiali e attrezzature, come nel caso del sito della stazione di Sant'Ambrogio (Figura 7). La predisposizione di aperture in copertura ha consentito di procedere con gli scavi e disporre di un accesso logistico entro il pozzo per il calaggio dei materiali e l'estrazione del terreno scavato.
I diaframmi sono stati realizzati secondo lo schema proposto in Figura 9, mediante l'utilizzo di una "benna mordente" pesante, atta a garantire il controllo della verticalità. La tenuta dei giunti tra i diaframmi è stata affidata a palancole in acciaio; al fine di agevolare la movimentazione delle palancole si è proceduto alla realizzazione dei pannelli in sequenza continua, così che la palancola posta sul lato del pannello N, già gettato, potesse essere spostata sul lato del pannello (N+1) non appena scavato. Diversamente l'adozione di una sequenza realizzativa a pannelli "primari" e "secondari" avrebbe comportato l'estrazione della palancola dal pannello primario per l'intera altezza, fino a 34-36 m, per essere riposizionata nel pannello secondario. Un aspetto rilevante ha comportato il calaggio delle gabbie di armatura dei diaframmi; non disponendo di spazi logistici sufficienti a gestire gabbie preassemblate di altezza fino a 40-42 m, si è provveduto a collegare le singole gabbie durante la fase di inserimento nella trincea scavata del diaframma, ponendo particolare attenzione alla posizione delle barre di armature nel tratto di sovrapposizione delle gabbie (Figura 9).
Terminata l'esecuzione delle paratie in diaframmi e del tappo di fondo, si è proceduto allo scavo al di sotto della copertura, ove anticipatamente realizzata, per singoli ribassi di 5-6 m, ponendo in opera ordini di contrasti alle paratie, mediante telai e puntoni metallici. Il progetto ha previsto la predisposizione di 3-4 ordini di contrasto (Figura 10). La localizzazione dei telai e puntoni di contrasto è stata studiata in modo da non interferire con i cunicoli di collegamento tra pozzo e gallerie di stazione.
La realizzazione delle strutture interne è poi proceduta in risalita una volta raggiunto il fondo scavo; a partire infatti dal solettone di fondo, si è proceduto ad alternare il getto di contropareti e strutture verticali ai solai; sull'intero perimetro della stazione, tra diaframmi e contropareti interne, si è provveduto alla posa del sistema di impermeabilizzazione, costituito per le pareti sotto il livello di falda, da strati di protezione in geotessuto, da un manto impermeabile settorizzato collaudabile ed iniettabile e da uno strato di protezione in pvc liscio, come mostrato nelle riprese fotografiche di Figura 11.
Cunicoli di collegamento tra gallerie e pozzo di stazione
In ogni stazione si è prevista la presenza di 6 cunicoli trasversali, generalmente 4 dedicati al transito dei passeggeri e 2 adibiti anche ai passaggi delle tubazioni di ventilazione nella parte bassa. La loro dimensione è variabile in funzione della loro funzione: la sezione di scavo più piccola misura 4,00 m di larghezza e 4,80 m di altezza; il più grande (che consente il transito sia dei passeggeri che delle linee di ventilazione) è caratterizzato da una larghezza di 6,10 m e un'altezza pari a 8,60 m. Pertanto, l'area di scavo varia da circa 15 m2 a 38 m2, mentre la lunghezza normalmente varia da pochi metri fino a 10 m; solo un by-pass, in corrispondenza del Pozzo Vettabbia, raggiunge una lunghezza maggiore, pari a circa 18 m.
Valutando il contesto di realizzazione dei cunicoli, si è prevista l'esecuzione di interventi sia di consolidamento che di congelamento. Il consolidamento per "permeazione", impiegando tubi a manchette (T.A.M), è un metodo comunemente utilizzato a Milano, che consente di migliorare le proprietà meccaniche del terreno e di ridurne la permeabilità; la realizzazione di una fascia di terreno consolidato mediante l'iniezione di miscela cementizia, accoppiata con miscela silicatica, per spessori di terreno di 3,0-4,0 m, consente di sostenere ed impermeabilizzare il profilo di scavo. Questa tecnica si è però rilevata non del tutto efficace in presenza di strati con percentuale non trascurabile di terreno fine, accoppiati ad elevati battenti idraulici. In un simile contesto sussiste infatti il rischio che si inneschino fenomeni di filtrazione, con trasporto di terreno, generati dalle elevate pressioni idrostatiche, in strati, seppur localizzati, non perfettamente consolidati dalle iniezioni a causa della loro bassa permeabilità. Dopo alcune esperienze in cui sono stati riscontrate queste problematiche, si è ritenuto quindi opportuno combinare l'iniezione a permeazione dei terreni con la tecnologia del congelamento. Dal punto di vista statico, l'intervento di consolidamento mediante permeazione è dimensionato per sostenere le pressioni geostatiche del terreno, mentre al guscio di terreno congelato è affidato il sostegno delle pressioni idrostatiche; si evidenzia che il consolidamento migliora inoltre la fase di congelamento, omogeneizzando i terreni, e permette il controllo delle deformazioni nel terreno durante la fase di scongelamento.
La tecnica del congelamento artificiale (AGF) consiste nel congelare l'acqua contenuta nel terreno mediante trasferimento di frigorie. Ciò si ottiene attraverso il passaggio di un fluido refrigerante (azoto o salamoia) attraverso sonde in acciaio installate nel terreno, disposte secondo la geometria della "guscio" di ghiaccio da realizzare (Sanger e Sayles, 1979; Colombo et al., 2009, Pettinaroli et al.2016, Lunardi et al., 2019). L'effetto del congelamento è quello di impermeabilizzare perfettamente il terreno e di migliorarne le caratteristiche meccaniche. Il processo di congelamento prevede due fasi principali: a) la "fase di congelamento" iniziale, in cui il terreno viene raffreddato fino a raggiungere la temperatura prevista in tutti i punti di controllo, in modo da creare lo spessore di terreno ghiacciato definito; b) la "fase di mantenimento", durante la quale l'afflusso delle frigorie viene calibrato per garantire la conservazione dello spessore di terreno congelato per i tempi necessari, in questo caso, allo scavo delle cunicoli e al completamento delle opere mediante getto del rivestimento definitivo. Si possono adottare due metodi di congelamento: il "sistema aperto" che utilizza l'azoto come refrigerante, oppure il "sistema chiuso", che utilizza la salamoia. Per i cunicoli della linea metropolitana 4, la necessità di rispettare le tempistiche di realizzazione delle stazioni nell'area del centro storico ha portato ad adottare il primo metodo, che consente di eseguire la "fase di congelamento" iniziale in tempi più rapidi rispetto a quelli necessari alla salamoia. L'azoto è contenuto in un apposito serbatoio a doppia parete, alla pressione di 2÷3 bar, e viene immesso in un circuito di distribuzione, opportunamente coibentato, fino al raggiungimento della sonda refrigerante installata nel terreno.
La sonda è costituita da due tubi cilindrici coassiali: uno interno in cui scorre inizialmente azoto allo stato fluido, alla temperatura di -196 °C, e uno esterno entro il quale il fluido ritorna alla testa allo stato gassoso. L'azoto liquido che scorre nel tubo coassiale interno cede frigorie al suolo, e si riscalda fino a raggiungere le condizioni di transizione di stato. In questo momento l'energia criogenica rilasciata dal fluido è elevata, pari a circa il 60% dell'energia totale rilasciata nel passaggio del fluido dalla condizione liquida (-196 °C) alla condizione gassosa di uscita (circa -60÷-80 °C). L'azoto gassoso procede nella restante parte del circuito sonda fino al collettore di raccolta gas e viene rilasciato e disperso in atmosfera (da qui la definizione di "sistema aperto"). Mediante la continua immissione di azoto nel circuito, avviene un graduale e rapido congelamento del terreno che forma colonne a temperatura inferiore a 0 °C. In un determinato intervallo temporale, che dipende dalla distanza tra le sonde, le colonne si fondono tra loro e formano una parete o un guscio ghiacciato, con lo spessore effettivo alla temperatura di riferimento prefissata in fase di progettazione.
Per i cunicoli di stazione sono stati impiegati due schemi geometrici principali: uno per i cunicoli dedicati al transito dei passeggeri ed uno per i cunicoli che prevedono anche la ventilazione. Sono state utilizzate sonde di congelamento poste sub-orizzontali, con una geometria studiata per favorire la diffusione delle sollecitazioni lungo il profilo di scavo e rendere nulle o trascurabili le tensioni di trazione nel terreno congelato (inferiori a 0,5 MPa). L'esecuzione di prove di laboratorio su campioni di terreno congelato, eseguite presso il laboratorio "GroundFreezLAB" dell'Università Bicocca di Milano, ha mostrato che in presenza di temperature di -10°C si ottengono resistenze a compressione monoassiale di 5.0-5.5 MPa per campioni di ghiaie sabbiose, sabbie-ghiaiose e valori di UCS di 4.5-5.0 MPa per sabbie limose; i valori di resistenza a trazione, determinate con prove "brasiliane", sono nel range 1.0-1.5 MPa. Si è quindi definito in -10°C la temperatura target di progetto, da controllare durante il processo di congelamento; la posizione di questa isoterma al contorno del profilo di scavo determina lo spessore di progetto del guscio ghiacciato.
La Figura 13 illustra la disposizione delle sonde per le due sezioni tipologiche dei cunicoli di stazioni. Lo schema dei cunicoli per soli passeggeri prevede la posa di 37 sonde congelatrici e 7 sonde termometriche, al fine di ottenere una corona di terreno congelato con spessore pari a 1,00 m di spessore.
Per i passaggi trasversali con dimensione maggiore sono previste 40 sonde di congelamento e 9 sonde termometriche; In questo caso lo spessore di terreno congelato varia da 1,00 m in corona a 1,30 m nei lati, e da 1,30 m e 1,80 m in corrispondenza dell'arco rovescio. Tutte le perforazioni necessarie all'installazione delle sonde sono state eseguite dall'interno delle stazioni e controllate geometricamente mediante uno strumento giroscopico non-magnetico, al fine di valutarne l'eventuale deviazione; in particolare la posizione reciproca tra sonde congelatrici e sonde termometriche è molto importante al fine di valutare correttamente la distribuzione delle temperature nel terreno.
La predisposizione di un campo prova presso il manufatto di Via Mozart ha consentito di tarare le procedure ed i tempi di congelamento, definendo come ottimale un interasse delle sonde pari a 0.80 m. Particolarmente utile si è rivelata la coibentazione dell'interfaccia tra il cunicolo e la galleria metropolitana, così da limitare la superficie disperdente. In Figura 14 si riportano alcune fasi principali dei lavori. La distribuzione dell'azoto liquido lungo le sonde congelatrici è avvenuta in automatico grazie ad un software appositamente predisposto da WeBuild che ha consentito di calibrarne i quantitativi in funzione delle temperature via via registrate nel terreno mediante le sonde termometriche; il monitoraggio in continuo delle temperature ha inoltre permesso di seguire l'evoluzione del congelamento e definire il passaggi alla fase di mantenimento; una volta completata la fase di congelamento, prima di iniziare lo scavo del cunicolo, si sono anche eseguite prove di drenaggio ponendo in opera dreni nel fronte del cunicolo e riscontrando l'azzeramento delle portate emunte dal nucleo posto all'interno del guscio congelato.