Tecnica del congelamento per la galleria più lunga al mondo

Nel presente articolo viene esposto il progetto della Galleria di Base del Brennero e, nel dettaglio, uno dei suoi lotti costituenti: il "Sottoattraversamento del fiume Isarco". In particolare, viene posta attenzione all'adozione della tecnologia del congelamento artificiale del terreno come tecnica di consolidamento per la realizzazione dei quattro tratti di galleria posti sotto il fiume Isarco

IL PROGETTO DELLA GALLERIA DI BASE DEL BRENNERO
La Galleria di Base del Brennero (BBT) ha una posizione baricentrica lungo il corridoio Scandinavo-Mediterraneo (SCAN-MED), oltre a rappresentare il superamento naturale della barriera naturale delle Alpi. Lo SCAN-MED è uno dei corridoi prioritari nella strategia europea Trans European Network-Transport (TEN-T) che mira a sviluppare un'ampia rete europea di infrastrutture per garantire collegamenti continui tra territori ed eliminare barriere tecniche al transito di persone e merci. Tale corridoio, con la sua lunghezza di oltre 9.400 km, parte da Helsinki ed arriva a La Valletta attraversando la Finlandia, la Svezia, la Danimarca, la Germania, l'Austria, l'Italia e Malta (Figura 1).
Se si pensa che oggi, oltre il 50% dell'intero traffico merci transalpino su strada passa attraverso il Passo del Brennero (fonte: VCO Mobilität Mit Zukunft) e che il 70% del trasporto delle merci avviene su gomma, mentre il 30% viaggia su rotaia (fonte: Bundesamt füer Verkehr - BAV) si comprende perché l'Unione Europea ha previsto di spostare il traffico merci verso il mezzo di trasporto meno inquinante disponibile al momento, le rotaie. Solo nel 2019 hanno attraversato il passo del Brennero circa 2,5 milioni di Tir (fonte: Asfinag Verkehrsstatistik) (Figura 2).

Quando la Galleria di Base del Brennero entrerà in esercizio, i treni in transito non dovranno affrontare più le sostenute pendenze del 26‰ dell'attuale linea storica, risalente al 1867. La nuova linea, infatti, avrà una pendenza compresa tra il 4‰ e il 7‰ e sarà più corta di 20 km. I treni passeggeri copriranno la tratta Fortezza-Innsbruck in soli 25 minuti, a fronte degli attuali 80. Inoltre, i treni adibiti al trasporto merci potranno avere maggiore lunghezza, quindi maggior capacità di carico, potendo viaggiare in numero più elevato e con un tempo di viaggio di 35 minuti rispetto all'attuale 1 ora e 45 minuti (Figura 3).
La Galleria di Base del Brennero collega la stazione di Fortezza, in Italia, alla stazione di Innsbruck, in Austria, dopo un percorso in sotterraneo di 55 km. A sud di Innsbruck, la linea si interconnetterà con l'esistente circonvallazione ferroviaria assumendo un'estensione complessiva di 64 km, e divenendo così il collegamento ferroviario sotterraneo più lungo al mondo.

Il progetto della Galleria di Base del Brennero consiste nella realizzazione di due gallerie principali a singolo binario con un interasse che varia da 40 a 70 m e un diametro interno con rivestimento definitivo di 9,2 m. Ogni 333 m le gallerie principali sono connesse attraverso cunicoli trasversali che ricoprono la funzione sia di via di fuga in caso emergenza, sia per la manutenzione ordinaria in fase di esercizio. Ad una quota inferiore di 12 m rispetto alle due gallerie di linea, è posizionato un cunicolo esplorativo di diametro interno con rivestimento definitivo di 5,8 m. Esso, durante la fase di costruzione, assolve la funzione di prospezione geologica, geomeccanica e topografica e permette di smaltire le acque di drenaggio e una parte dello smarino proveniente dai fronti di scavo; in fase d'esercizio, invece, consentirà di svolgere la manutenzione delle gallerie principali ed ospiterà gli impianti necessari per il funzionamento della linea ferroviaria.
Inoltre, il progetto comprende quattro gallerie d'accesso laterali ubicate in corrispondenza di Ampass, Ahrental, Wolf (in Austria) e Mules (in Italia). Esse rivestono una funzione logistica, sia per il trasporto del materiale di scavo ai depositi esterni, sia per la fornitura di materiali ed attrezzature necessarie per le lavorazioni e l'immissione di aria fresca ai fronti scavo (Figura 4).
Infine, tre fermate d'emergenza, a Innsbruck, St. Jodok e Campo di Trens, comunicano con le gallerie d'accesso attraverso collegamenti trasversali distanziati di 45 m.

La realizzazione della Galleria di Base del Brennero rappresenta un'importante sfida dal punto di vista ingegneristico per via delle dimensioni e della complessità dell'opera. La scelta del metodo di scavo dipende da diversi fattori, tra cui le caratteristiche geologiche del materiale che si incontra (principalmente roccia), le previsioni geotecniche, la lunghezza del tratto da scavare che ne determina valutazioni economiche e logistiche. Il 50% dell'opera viene scavato con metodo tradizionale, la restante parte con metodo meccanizzato, ovvero attraverso l'uso di tre TBM (Tunnel Boring Machine) e contestuale rivestimento con conci prefabbricati in calcestruzzo (Figura 5).

IL LOTTO "SOTTOATTRAVERSAMENTO DEL FIUME ISARCO"
Il lotto "Sottoattraversamento del fiume Isarco" costituisce la parte più a sud della Galleria di Base del Brennero dove il nuovo tracciato sotto attraversa, in uno stretto fondovalle di ca. 300 m, la strada statale SS12, l'autostrada A22, la linea ferroviaria storica e il fiume Isarco da cui prende il nome (Figura 6). Tale lotto è ubicato ca. 1 Km a nord dell'abitato di Fortezza, in località Prà di Sopra, in Provincia di Bolzano, ad una quota di circa 770 m s.l.m.
Tale lotto è stato affidato ad Ottobre 2014 al consorzio RTI Salini-Impregilo S.p.A. (ora Webuild Italia S.p.A.), Strabag AG, Strabag S.p.A., Consorzio Integra e Collini Lavori S.p.A. Le opere di questo lotto collegheranno la Galleria di Base con la linea ferroviaria storica del Brennero e la stazione di Fortezza. Il termine dei lavori di questo lotto è previsto ad Agosto del 2023. Complessivamente saranno realizzati 6,4 km di gallerie di cui sono già stati scavati tutti i tratti in naturale. I 6,4 km di gallerie si suddividono nelle seguenti parti: due gallerie di linea, binario pari e binario dispari, a nord e a sud dell'Isarco; due gallerie di interconnessione con la linea storica, binario pari e binario dispari, a sud dell'Isarco; due gallerie di linea e due di interconnessione, binario pari e binario dispari, al di sotto del fiume Isarco; portali di imbocco sud della Galleria di Base del Brennero, ubicati nella zona della stazione di Fortezza; un'uscita di emergenza (Figura 7).

Il progetto prevede l'adozione di metodologie e tecnologie realizzative differenti in grado di minimizzare il rischio associato alle criticità derivanti dal complesso contesto in cui l'opera è inserita, in particolare, di minimizzare gli impatti ambientali e naturalistici nelle aree interessate dai lavori ed in quelle limitrofe e di ridurre le interferenze con il fiume Isarco e le infrastrutture stradali e ferroviarie esistenti. A tal fine sono state adottate le seguenti tecniche di scavo:
•"drill and blast", scavo con esplosivo: realizzato nei tratti iniziali e finali del lotto ove si ha la presenza del granito di Bressanone, solitamente compatto. Nella tratta a nord, in prossimità della fine del lotto, verrà attraversata la faglia del Rio Bianco ove si prevedono condizioni di maggiore fratturazione;
• scavo in materiale granulare con consolidamento in avanzamento: realizzato nei tratti che precedono i tratti in roccia caratterizzati da materiale granulare grossolano in matrice sabbiosa con presenza di trovanti di dimensioni metriche, gran parte di questi avanzamenti si trovano sotto battente idraulico che può raggiungere i 15 m al di sopra della calotta. Solitamente queste sezioni di scavo sono adottate nei tratti in detrito aventi coperture superiori ai 10-12 m. Il consolidamento, con elementi sub-orizzontali, viene realizzato con colonne jet-grouting monofluido d=650 mm ed iniezioni cementizie e chimiche sul contorno e con iniezioni di miscele cementizie e chimiche al fronte di scavo e in arco rovescio. Le iniezioni chimiche vengono realizzate nei tratti in cui si rende necessaria una funzione di tenuta idraulica negli avanzamenti sotto falda. Tale metodologia di scavo verrà utilizzata anche per il sottoattraversamento dell'autostrada A22 e della Strada statale SS12;
• scavo in materiale granulare con consolidamento da piano campagna: realizzato nei tratti in prossimità del fiume Isarco, caratterizzati da coperture inferiori ai 10-12 m in terreni alluvionali grossolani in matrice sabbiosa con presenza di trovanti metrici, gran parte di questi avanzamenti sotto falda con battente idraulico che può arrivare a qualche metro al di sopra della calotta. In detti tratti il consolidamento viene realizzato con colonne jet-grouting bifluido d=2000 mm verticali;
• gallerie artificiali e pozzi realizzati con consolidamento da piano campagna: alcuni brevi tratti sono realizzati in galleria artificiale; inoltre sono già realizzati quattro pozzi di grandi dimensioni (superficie da 800 m2 a 1600 m2 ca.), posti in prossimità del fiume Isarco, necessari sia per la realizzazione dell'intervento di congelamento per il sottoattraversamento del fiume sia come fronti di attacco per lo scavo delle gallerie a nord dell'Isarco. Queste opere sono realizzate con colonne jet-grouting bifluido d=2000 mm verticali sia per le pareti sia per il tappo di fondo, le opere sono scavate e rivestite in c.a. con la tecnica della sottomurazione (Figura 8);
• scavo in materiale granulare con consolidamento realizzato mediante congelamento artificiale dei terreni: per il sottoattraversamento del fiume Isarco, al fine di limitare al massimo gli impatti ambientali ed evitare la deviazione del fiume dalla sua sede, gli scavi delle quattro gallerie sono stati realizzati previo consolidamento dei terreni tramite la tecnica del congelamento di seguito approfondita.

LA TECNICA DEL CONGELAMENTO ARTIFICIALE DEL TERRENO NEL "SOTTOATTRAVERSAMENTO ISARCO"
Il Progetto Definitivo prevedeva la realizzazione del sottoattraversamento del fiume Isarco mediante un sistema di gallerie artificiali con la deviazione temporanea del fiume in un'area ad hoc predisposta all'interno di una vasca in calcestruzzo impermeabile, il cui fondo era rivestito in pietre fluviali annegate nel calcestruzzo.
Il Progetto Esecutivo, invece, ha previsto che il sottoattraversamento venisse realizzato tramite 4 gallerie naturali realizzate con scavo a piena sezione a partire da pozzi posti lateralmente l'alveo del fiume, previa esecuzione di interventi di consolidamento in abbinamento all'adozione della tecnologia di congelamento dei terreni (Figura 9).
Tale scelta ha evitato, pertanto, lo spostamento del fiume Isarco a tutela del contesto ambientale presente, prevedendo solo modeste parzializzazioni nel periodo di magra per consentire la realizzazione delle opere di protezione del fiume stesso.
La tecnica del congelamento ha previsto il "metodo misto" con il flussaggio di un liquido refrigerante all'interno di speciali scambiatori di calore definiti di seguito sonde congelatrici, a partire dalle pareti dei due pozzi Nord e Sud (Figura 10), secondo due fasi distinte:
• Prima fase di congelamento ad azoto liquido (circuito aperto o diretto). L'azoto liquido compresso viene fatto circolare ad una temperatura di -196°C all'interno di sonde congelatrici e disperso in ambiente sotto forma di gas ad una temperatura tra -100 e -60°C (Figura 11);
• Seconda fase di congelamento a salamoia (circuito chiuso o indiretto). La salamoia viene fatta circolare ad una temperatura indicativa di -35°C; in uscita dalle sonde congelatrici, dopo aver sottratto calore al terreno ed essersi riscaldata di circa 2/3°C, torna all'impianto frigorifero per essere raffreddata e nuovamente inviata alle sonde congelatrici.
Il passaggio dalla fase di congelamento alla fase di mantenimento è stato effettuato sostituendo solamente una porzione delle testine di adduzione di ogni sonda frigorifera, consentendo quindi la possibilità di passare dal sistema a ciclo aperto al sistema a ciclo chiuso.
L'impianto frigorifero di stoccaggio dell'azoto liquido ha previsto n. 4 serbatoi a doppia parete, con capacità di stoccaggio di 50.000 litri/cadauno, collegati in serie, quindi con una capacità di stoccaggio complessiva di 200.000 litri. I 4 serbatoi sono stati installati poco lontano dai pozzi da cui si dipartivano gli interventi di congelamento propedeutici allo scavo delle 4 gallerie e sono visibili in Figura 12.
L'impianto a salamoia, visibile in Figura 13, ha previsto tre gruppi frigoriferi con una potenza installata di 240 kW cadauno, per una potenza totale disponibile di 720 kW. Durante le fasi di mantenimento del congelamento sono stati utilizzati solo due dei tre gruppi frigoriferi installati, per consentire la manutenzione a rotazione delle tre attrezzature.
Preventivamente al congelamento, il PE ha previsto la realizzazione di perforazioni per gli interventi di pre-consolidamento (e di riduzione delle permeabilità naturali), per la posa delle sonde congelatrici e per la posa delle sonde termometriche necessarie al controllo dell'efficacia della tecnica del congelamento, disposte attraverso lo spessore del terreno congelato ed in estradosso dello stesso.
Durante tale fase sono state misurate le deviazioni dei fori con una strumentazione ottica basata sul sistema giroscopico, al fine di ricostruire un modello tridimensionale che servisse a valutare di volta in volta, in funzione dell'interdistanza effettiva delle sonde, la necessità di realizzare delle perforazioni integrative. Tale modello, inoltre, ha consentito di valutare i casi in cui le sonde si sono avvicinate troppo al profilo teorico di scavo.
Nelle Figure 14 e 15 sono riportate la sezione di partenza e quella più distante per i due fronti Nord e Sud della GNIDI, dove sono evidenziate le perforazioni attrezzate con le sonde congelatrici (V) utilizzate per il congelamento e la posizione scelta per le sonde termometriche (K) utilizzate.

Requisiti progettuali e analisi delle temperature
In progetto sono stati definiti i requisiti progettuali necessari allo scavo delle gallerie: il raggiungimento e la continuità di uno spessore di almeno 1.00 m del muro di ghiaccio, considerando come limite di temperatura -10°C e l'impermeabilità dello stesso. Per il primo requisito sono state definite dal Progettista le temperature target per ciascuna sonda termometrica in funzione della distanza reale dalle sonde congelatrici, mediante un modello numerico di calcolo; per il requisito dell'impermeabilità, prima di procedere allo scavo si è proceduto all'apertura dei dreni disposti all'interno del nucleo di scavo, come visibili in Figura 16, per consentirne lo svuotamento e verificare l'efficacia dell'intervento di congelamento.
Il monitoraggio dell'intervento di congelamento messo in atto per ogni galleria è stato effettuato attraverso la registrazione delle temperature ad opera delle sonde termometriche installate, confrontando puntualmente i valori misurati con i valori target previsti dal Progettista. Tali termometriche sono state realizzate con la tecnologia a fibra ottica, la quale ha consentito un elevato numero di punti di misura in continuo consentendo l'elaborazione di diversi diagrammi, quali:
• Temperatura-Distanza dal fronte di attacco, il quale rappresenta l'andamento delle temperature rilevate lungo lo sviluppo della sonda termometrica in funzione della distanza dalla sezione a 0 m. Tale rappresentazione grafica consente di visualizzare eventuali innalzamenti e abbassamenti di temperature e di studiarne l'evoluzione con il susseguirsi dei giorni. In questo diagramma sono, inoltre, riportate le temperature target definite dal Progettista e la curva delle distanze rispetto alla sonda congelatrice più vicina.
• Temperatura-Tempo, il quale consente di valutare per ogni sensore l'andamento della temperatura durante tutto il processo di congelamento;
Sono riportati di seguito, a titolo di esempio, i grafici Temperatura-Distanza dal fronte di attacco e Temperatura-Tempo che si riferiscono alla sonda termometrica K08 dal portale Nord (Figura 17) poco prima della sospensione della fase di congelamento con azoto liquido dal portale Nord e dopo circa 24 ore dalla sospensione dell'azoto dal portale Sud.
Dal primo grafico a sinistra si vede chiaramente come, per questa sonda termometrica, l'azoto abbia fatto raggiungere al terreno temperature inferiori ai valori target; dal secondo grafico si vede come, a seguito della sospensione dell'azoto dal portale Sud, sia stata portata tutta la concentrazione dell'azoto sul portale Nord, con un evidente calo delle temperature.

Analizzando le temperature a seguito del passaggio a salamoia per entrambi i portali Nord e Sud, invece, si rileva un innalzamento delle temperature all'interno del guscio di terreno congelato; a titolo di esempio si riportano i grafici Temperatura-Distanza dal fronte di attacco e Temperatura-Tempo della sonda termometrica KB da Sud (Figura 18).
Con il passare dei giorni si osserva, invece, una stabilizzazione su livelli di temperatura compatibili con la circolazione della salamoia (Figura 19).
A seguito del raggiungimento dei requisiti definiti dal Progettista si dà avvio allo scavo con la demolizione della parete di regolarizzazione e della struttura del pozzo fino ad arrivare alla zona di terreno sotto il fiume Isarco, il quale risulta essere ormai ben consolidato e asciutto con una visibile fascia di terreno congelato all'interno del profilo di scavo (Figura 20).
Le operazioni di scavo della galleria portano ad un innalzamento della temperatura, rilevato da alcune sonde termometriche in corrispondenza della progressiva di scavo.

A titolo di esempio, nella figura seguente (Figura 21) si può leggere l'avanzamento dello scavo per la sonda KG da Nord della GNIDI durante fasi temporali differenti, con un aumento delle temperature che interessa sensori sempre più avanti come progressiva.
Le fasi realizzative delle gallerie hanno previsto i seguenti step (Figura 22):
• scavo con martellone per sfondi di circa 1.00 m con la successiva messa in opera del rivestimento di prima fase con centina e spritz di protezione al contorno e al fronte, fino all'ultimazione della tratta;
• scavo dell'arco rovescio per conci di circa 12.50 m con posa dei teli di impermeabilizzazione e dell'armatura per il successivo getto;
• impermeabilizzazione della calotta, posa dell'armatura e getto.
Gli scavi delle 4 gallerie sotto il fiume Isarco sono stati ultimati il 07.04.2022 senza particolari problematiche (Figura 23).