Gallerie: metodi e tecniche innovative per la progettazione e la sicurezza dei tunnel

L'innovazione tecnologica assume un ruolo fondamentale nella progettazione e manutenzione delle gallerie. 

Grazie all'uso di avanzati software, strumenti digitali, robot e tecnologie di scansione 3D oggi è possibile sia ottimizzare l'intero processo costruttivo di un'opera in sotterraneo sia migliorarne la sicurezza, con attività di monitoraggio costante e ispezioni automatizzate.

Per fare il punto sulle principali tecniche e soluzioni oggi disponibili, Ingenio ha intervistato Silvia Gioja, ingegnere edile, architetto e BIM Manager di Arcadis Belgio.

Lo scorso maggio, l'Ing. Gioja è stata la prima donna italiana insignita del titolo di Best Woman in Tunneling & Underground Construction, nonché la prima a vincere un premio WICE per Arcadis Belgio, dove lavora come ingegnere specializzato in infrastrutture e dove è impegnata, insieme al governo fiammingo, nel rinnovo di 20 tunnel.

Approcci e tecniche innovative per la progettazione e la manutenzione delle gallerie

Ing. Gioja, la rivoluzione digitale è destinata a modificare metodologie di pianificazione e strumenti di progettazione anche nel mondo del Tunneling: quali sono i nuovi approcci e le nuove tecniche a servizio dei processi di realizzazione di un'infrastruttura e della sua manutenzione?

«L’implementazione del “digitale” all’interno dei lavori sotterranei permette di affrontare alcune sfide tipiche di tali manufatti, che sono principalmente la conseguenza delle loro stesse caratteristiche, in particolare, della complessa geometria e delle condizioni del contesto. Infatti le opere di costruzione sotterranea sono spesso lunghe, consistenti in combinazioni di strutture lineari, con sezioni di geometrie solitamente complesse, in cui possono esser usate diverse tecniche e materiali (Cut-and-cover tunnel, Bored tunnel, Immersed tube tunnel). Per esempio, nella regione in cui lavoro, le Fiandre, nel Nord del Belgio, esistono 24 tunnel più lunghi di 200 metri, ognuno con caratteristiche peculiari legate a fattori come dimensioni, articolazione spaziale e ricchezza informativa, tecnologia costruttiva, funzione o varietà di layout».

«Un’altra caratteristica di questo tipo di costruzioni è che possono essere realizzate a stretto contatto con l’ambiente circostante, che costituisce una condizione incerta. Nonostante tutte le possibili investigazioni, le proprietà come deformazione e comportamento variabile del terreno, non possono essere note in maniera predittiva completa. Inoltre occorre considerare l’imprecisione derivante dall’interpolazione di dati e la difficoltà di rappresentazione delle acque sotterranee in funzione delle fluttuazioni della falda freatica nel tempo. Questi due aspetti, ovvero la complessa geometria e le condizioni del suolo, possono essere gestiti con metodi digitali con i quali è possibile integrare le informazioni disponibili in una forma adeguata, in grado di rappresentare lo stato della conoscenza (a volte anche incerta) ed essere passibili di modifiche in funzione delle analisi delle nuove condizioni».

Per quanto riguarda la conoscenza e la gestione delle condizioni del suolo, come operate?

«In riferimento al terreno, abbiamo creato una serie di script che, una volta acquisite le informazioni tramite analisi e nuvole di punti, permettono di allineare il modello digitalizzato di una costruzione alla situazione esistente. Laddove indagini geologiche rivelino variazioni del terreno nel tempo dovute a sedimentazione, possiamo adattare il modello alla situazione reale tramite il running degli script che allineano la geometria alla scansione. Inoltre, disporre delle informazioni digitalizzate in un'unica fonte di verità (Common Data Environment) consente l'incubazione di Digital Value Proposition e l'ulteriore automazione dei nostri processi di gestione dei tunnel. Il settore del Tunneling&Underground Construction è arrivato alla digitalizzazione in ritardo rispetto ad altri rami dell’industria ma con il raggiungimento delle parti più ripide della curva esponenziale della digitalizzazione si stanno prefigurando diverse opportunità di sviluppo, ad esempio Machine learning e Artificial Intelligence. Pertanto, il Building Information Modelling è il fondamento della nostra trasformazione digitale».

 Waasland tunnel Exit and Surroundings

I vantaggi del BIM per la realizzazione di opere in sotterraneo 

ll BIM è sicuramente una delle innovazioni nel campo della progettazione e costruzioni delle opere in sotterraneo, quali vantaggi apporta?

«Ricordo una bella intervista all’Ing. Lunardi risalente a gennaio, in cui affermava che gli eccezionali progressi compiuti nel settore del tunnelling, hanno reso tale campo uno dei principali e più avanzati nell’ingegneria civile. Evidenzierei che tali progressi non sono solo tecnici (per lo scavo convenzionale, grazie per esempio all’ADECO-RS, meccanizzato, ...) ma anche digitali, a cui certamente il BIM dà un grande contributo, anche se devono essere fatti ancora miglioramenti. Per intuire i vantaggi del BIM applicato a opere sotterranee, occorre prima approfondire il concetto di Building Information Modeling e poi sulla base di special features/uses e fattori specifici delle gallerie, individuare quali siano le interazioni e i vantaggi derivanti dall’implementazione del BIM all’interno dei processi progettuali, realizzativi o manutentivi di tali infrastrutture. Per Arcadis esiste uno schema di implementazione per il BIM, in accordo con le linee guida del Governo del Regno Unito.

Lo schema si compone di tre livelli:

• Livello 0: è la rappresentazione semplice di elementi in 2D, dati non facilmente riutilizzabili.
• Livello 1 - "BIM solitario": in cui non avviene la condivisione del lavoro ma vi sono modelli leggibili al computer che sono rappresentazioni virtuali dell’oggetto reale, che includono sia dati geometrici, sia proprietà, sbloccando il valore dei dati e le possibilità dell'automazione.
• Livello 2 - "BIM federato": è l’integrazione dei modelli disciplinari in un unico modello condiviso all’interno del Common Data Environment (CDE). Un processo che include il coordinamento e il rilevamento delle interferenze per supportare la qualità del progetto, così da comprendere prima della costruzione e della manutenzione se vi sono delle collisioni. Include anche la simulazione di costruzione 4D per cercare l'efficienza dei tempi di costruzione o l'estrazione di dati per definire i costi 5D e integrare poi la pianificazione. Ciò porta a una maggiore efficienza, grazie alla condivisione delle informazioni, alla possibilità di gestire diverse fasi di un progetto in un unico file su cui lavorano più modellatori e all’interoperabilità. Questa è la base del 100% BIM, che equivale a valore, dati e clienti. 
• Livello 3 - "Il ciclo di vita delle risorse digitali": si utilizzano tutte le potenzialità del Digital per ottimizzare le performance degli asset durante il suo ciclo di vita. 

È chiaro quindi che la collaborazione in BIM apporta innumerevoli vantaggi: prima di tutto l’efficienza nella condivisione delle informazioni e nella collaborazione in un unico CDE, poi la possibilità di gestire diverse fasi del progetto in un unico file su cui lavorano più modellatori, l’interoperabilità grazie anche all’Open BIM e una progettazione di migliore qualità riducendo il rischio di possibili imprecisioni nel progetto».

«Con il Building Information Modeling si possono prevedere e rilevare eventuali collisioni (clash avoidance, clash detection) con la situazione sotterranea, ad esempio con le fogne esistenti, evitando così problemi in sito. Il modello federato può contribuire inoltre a verificare il giusto posizionamento e il raggio d’azione degli impianti grazie all’uso di clearance boxes. Inoltre vi è un’efficienza con l’abbattimento dei costi grazie alla progettazione più dettagliata, alla ridotta duplicazione del lavoro e al migliore coordinamento e scambio di informazioni con gli appaltatori con la creazione digitale di documenti operativi e di manutenzione. Senza considerare poi l’aspetto della sostenibilità con prestazioni energetiche del bene più performanti. Il BIM infine consente un risparmio medio stimato al 17% sul costo totale degli asset».

In quale fase si rende davvero efficace? Progettuale, realizzativa o manutentiva degli asset?

«Con il BIM è possibile ottenere evidenti vantaggi sia nella fase progettuale sia realizzativa che manutentiva di un progetto di tunnel o opera sotterranea e il Federate model agevola la risoluzione di possibili problemi dell’intervento. Comunque ogni progetto è a sé stante per cui è difficile dire per quale fase i vantaggi siano maggiori. Per esempio, in fase progettuale è possibile ottenere una più elevata qualità, anticipando eventuali imprecisioni tramite l’analisi di collisioni, nella fase costruttiva si ha l’organizzazione delle risorse e in quella operativa l’esecuzione di simulazioni per valutare, ad esempio, misure di soccorso o antincendio, anche con l’uso della tecnologia VR. Per esempio, per il Kennedy Tunnel, uno dei più complessi organismi immersi di Anversa, abbiamo creato la simulazione di un incidente per prevedere le possibili modalità di soccorso ed evacuazione».

 KennedyTunnel simulation Accident

Tecniche di monitoraggio predittive e ispezioni automatizzate

Quali sono le ultime evoluzioni sul fronte delle tecniche di monitoraggio predittive, delle ispezioni automatizzate dei tunnel e degli spazi sotterranei?

 «Ridurre il tempo in situ e implementare l’efficacia della tecnica ispettiva o monitorativa, sono priorità sia per motivi economici sia di sicurezza nell’ambito della manutenzione di un’infrastruttura. Ovviamente il tipo di tecnica dipende dalle caratteristiche stesse della costruzione sotterranea e dallo spazio da analizzare. Tuttavia, in funzione di Digital Twins Lead per il reparto di Infrastrutture, non posso che mettere i gemelli digitali al primo posto. Il Digital Twin è una copia digitale e vivente dell’organismo che evolve insieme all’oggetto reale grazie all’acquisizione di dati forniti dai sensori posizionati sull’oggetto stesso. Avere un “gemello digitale” consente di poter fare interessanti previsioni su ciò che avverrà in futuro all’oggetto e al processo, oltre che simulare comportamenti dinamici e scenari per sviluppare, testare e validare le soluzioni prima che la ristrutturazione venga completata senza dover, per esempio, arrivare alla chiusura dell’infrastruttura».

«Il digital twin abilita anche quelli che sono definiti disruptive business model, nuovi modelli di business, in cui la conoscenza circa lo stato di salute di un asset e la corretta pianificazione delle attività di manutenzione sono fondamentali per garantire un livello di servizio adeguato. E appunto ce ne siamo avvalsi per la ristrutturazione dei tunnel delle Fiandre. Ai fini di una manutenzione più intelligente, le modifiche future al tunnel e ai suoi sistemi, vengono trasferite automaticamente alla copia virtuale. Il gemello digitale inoltre consente anche di fare training agli operatori del tunnel, ai soccorritori e ai responsabili operativi mentre l’opera è ancora in costruzione o ristrutturazione». 

Vi sono altre nuove tecniche per l’ispezione e la manutenzione dei tunnel?

«Certamente, ad esempio la tecnologia di scansione 3D che consente un alto livello di precisione, ma anche tecnologie per l'ispezione e la manutenzione dei tunnel robotizzate (Robotic tunnel inspection and maintenance). Soprattutto per certi tipi di spazi e per terreni difficili è possibile adottare da qualche tempo una soluzione di acquisizione della realtà sviluppata da uno dei leader del settore che combina “agile robot mobile” con il “Visual Inertial System” del laser scanner. In questo modo è possibile stabilire in maniera user-friendly attività di scansione, i cui risultati sono affidabili non solo per il livello di dettaglio ma anche perchè sempre aggiornati e nella posizione spaziale corretta. Infatti si ottiene una point cloud georeferenziata che permette una più agevole elaborazione dei dati. Inoltre tali attività possono essere programmate in modo che i robot ripetano percorsi automatizzati sul sito e ciò è utile in particolare nei casi in cui occorrono scansioni regolari per aggiornare i modelli digitali. In più il robot può coprire aree potenzialmente pericolose per un operatore. Tutto questo porta a una maggiore produttività e flessibilità nella pianificazione delle attività di scansione e più efficienza nel processo di cattura della realtà».

 Waasland tunnel section MEP and STR

La collaborazione BIM tra pubblico-privato in Belgio

Lei oggi opera in Arcadis Belgio come ingegnere specializzato in infrastrutture ed è impegnata insieme al Governo fiammingo nel rinnovo di 20 tunnel. Come è strutturata la collaborazione pubblico-privato in Belgio? 

«Il Belgio è suddiviso in due regioni ben diverse sia da un punto di vista amministrativo sia linguistico. La zona settentrionale, ovvero le Fiandre, di lingua fiamminga, e quella meridionale, la Vallonia, di lingua francese. Nel mezzo c’è Bruxelles che costituisce un’area plurilinguistica. Tale separazione non ha ripercussioni solo geografiche, ma ha un riflesso anche a livello di collaborazione BIM tra pubblico-privato, infatti vi sono distinti enti che si occupano di standardizzazione ed implementazione digitale, dettando requisiti a livello di Level of Geometry e di Level of Information e di documentazione come il BIM Execution Plan ed il BIM Protocol».

«Per quanto riguarda la regione in cui lavoro, ovvero le Fiandre, essendo appunto impegnata nel rinnovo di tunnel che necessitano di una ristrutturazione urgente in primis dal punto di vista della sicurezza, collaboro con AWV, l’Agenzia delle Strade e del Traffico. Con tale ente, abbiamo testato insieme soluzioni BIM, per esempio per migliorare i workflow connessi a processi di validazione BIM e all’uso del CDE in funzione degli Standard ISO 19650 e per sviluppare le Object Type Libraries. A tali oggetti vengono associate proprietà da tradurre in forma di parametri nei modelli BIM, in funzione di strade, strutture e impianti».

«Essendo diventata BIM Lead del reparto Infrastrutture di Arcadis Belgio e avendo quindi la responsabilità della gestione della visione BIM sia per gli uffici fiamminghi sia valloni, mi occupo anche di incentivare all’interno degli uffici competenti di Arcadis in Vallonia l’adozione degli standard validati dai relativi enti pubblici, con l’obiettivo di instaurare anche una collaborazione fertile con le organizzazioni che si occupano di standardizzazione BIM in tale regione».

La sostenibilità delle opere infrastrutturali 

Il tema della sostenibilità obbliga a valutare attentamente l'impatto ambientale di grandi opere infrastrutturali, è possibile realizzare gallerie e tunnel sostenibili? Come?

«Certo, per integrare la sostenibilità nel processo occorre la valutazione simultanea degli impatti sociali, economici e ambientali di qualsiasi proposta progettuale e operativa durante il ciclo di vita di un tunnel, con un planning per identificare le conseguenze e sviluppare strategie di mitigazione. Ci sono tuttavia varie opportunità per rendere un tunnel più sostenibile, agendo su cinque principali aspetti:

1. ambiente
2. materiali
3. energia
4. organizzazione
5. resilienza

Per ognuno di questi aspetti possiamo individuare delle sottocategorie, ad esempio per l’ambiente si deve considerare l’integrazione con il contesto naturale e l’utilizzo degli spazi circostanti, la protezione e la promozione della biodiversità, la riduzione dell’utilizzo di acqua e riciclo idrico, la tutela da contaminazione del suolo, la promozione della sua fertilità e la mitigazione dell’erosione, l’attenzione alla ventilazione e alla qualità dell’aria o la mitigazione del rumore agli ingressi. Per quanto riguarda i materiali, occorre la valutazione del loro impatto ambientale, per esempio riusando quelli rimossi o smaltendoli correttamente, ma anche prevedere, se possibile, la generazione di energia sostenibile per esempio rivestendo i tunnel con pannelli solari e limitando i consumi tramite impianti ad alta efficienza energetica, per esempio con luci LED. Si può anche prevedere una flessibilità d’uso del tunnel in caso di cambiamenti al contorno e prestare attenzione alla sicurezza e alla mobilità sostenibile riducendo i tempi di viaggio e lo stress nel percorrere un’opera sotterranea».

Nel caso di un tunnel immerso, invece, quali aspetti concorrono a una maggior sostenibilità dell’opera?

«In questo caso occorre aggiungere maggiore attenzione alla flora e fauna, mitigando gli effetti negativi su un possibile fragile ecosistema naturale soprattutto in prossimità di estuari e in zona intercotidale. Spesso sono necessari il monitoraggio della qualità dell’acqua, sondaggi e analisi idrografiche e idrauliche per studiare possibili alterazioni della sedimentazione dovute ad argini temporanei e contaminazioni del suolo per esempio con metalli pesanti in prossimità di ambienti industriali, con interferenze sulla vita circostante». 

 
Kennedy tunnel - Point Clouds 

L'industria del tunnelling in Belgio

Da diversi anni vive e lavora all'estero, l'industria del tunnelling in Belgio è all'avanguardia e tecnologicamente avanzata? Cosa può imparare l'Italia?

«Non ho una chiara visione dello stato attuale della tecnologia in Italia dal momento che non vi lavoro da quattro anni e sono concentrata sulle novità del BIM applicate alle infrastrutture in Belgio, ma posso puntare l’accento su alcuni aspetti che credo possano essere di ispirazione e che ho avuto modo di analizzare relativamente alla mia esperienza BIM. Senza dare un giudizio sulla fattibilità o meno di un intervento subacqueo in Italia, da BIM Manager la competenza maturata sui tunnel dai professionisti belgi ma anche per esempio olandesi con cui collaboro, potrebbe essere utile nel momento in cui si dovesse decidere di realizzare strutture simili, presumibilmente con le dovute limitazioni legate per esempio alla bassa sismicità dei territori suddetti».

«Per naturale conformazione del territorio e altri fattori, inclusi quelli economici, in questa zona d’Europa è stato relizzato un buon numero di tunnel sommersi, creando una specializzazione tecnica in tale ramo e sono previsti inoltre nuovi interventi da sviluppare in BIM. In tale settore, questi Paesi hanno avuto la possibilità di testare soluzioni tecniche all’avanguardia. Ad esempio il primo tunnel subacqueo d’Europa per auto, pedoni e biciclette, il Maastunnel, che si trova a Rotterdam, fu realizzato sfruttando nuove invenzioni fra cui la chiusura a tenuta stagna mediante profilo GINA (curiosità, il nome trae ispirazione da Gina Lollobrigida) per collegare le sezioni del tunnel sommerso in maniera sicura. Una tecnologia che risale agli anni ‘40 ed è stata adotatta anche per il Mose a Venezia».

«Un altro aspetto che può risultare di ispirazione per i progettisti italiani riguarda il rapporto del tunnel con la mobilità sostenibile. Quasi il 50% della popolazione belga si sposta in bicicletta, per arrivare a percentuali elevatissime in Olanda. Di conseguenza, il design dei tunnel rispecchia questa necessità, tanto che spesso queste infrastrutture sono percorribili anche o esclusivamente in bicicletta. Inoltre, vari progetti in cui sono coinvolta, inclusi alcuni dei Tunnel interessati dal progetto denominato “Rinnovo dei Tunnel delle Fiandre”, sono parte di una visione ancora più ampia, ovvero del “Grote verbinding” (“il grande collegamento”) di Anversa».

Che cosa prevede il Grote verbinding e come cambierà Anversa?

«È prevista la creazione di reti infrastrutturali percorribili anche in bicicletta in più la realizzazione di una copertura verde dell’anello e rappresenta non solo il progetto di ristrutturazione urbana più ambizioso della città, ma anche una proposta per risolvere i più urgenti problemi di mobilità e di miglioramento della qualità dell’aria. Arcadis, last but not the least, è inoltre impegnata nella progettazione di eco-tunnel per permettere il passaggio di animali in sicurezza».

 Silvia Gioja - Credit: Frederik Beyens

Il progetto di “Rinnovo dei tunnel delle Fiandre” 

Su quali progetti sta lavorando attualmente?

«Come BIM Manager, mi occupo di progetti di larga scala, specialmente ristrutturazione e progettazione di tunnel, ma anche di ponti, strade e strutture di depurazione idrica. Principalmente sono impegnata nel progetto “Rinnovo dei tunnel delle Fiandre”, la cui digitalizzazione è valsa due premi BIM Awards per due anni consecutivi. I tunnel delle Fiandre hanno un traffico ad alta densità con una percentuale piuttosto alta di veicoli pesanti che transitano nell'area. I 24 tunnel costituiscono una componente essenziale del sistema tangenziale della città per Bruxelles e Anversa. Tuttavia, la maggior parte di questi è stata costruita negli anni '60 e '70 e necessita di un aggiornamento per migliorare prestazioni, comfort e  sicurezza. Stiamo collaborando con i nostri colleghi olandesi per consegnare il prima possibile i modelli al nostro cliente, AWV, l'Agenzia per le strade e il traffico e in particolare l'Organizzazione Tunnel Fiandre, considerando i grandi lavori di nuova costruzione sull'Antwerp Ring e Brussels Ring che limitano la ristrutturazione. Ciò include la messa in atto di diversi concetti di sicurezza tenendo conto delle legislazioni dell'UE, delle metodologie di costruzione e dei sistemi di ventilazione».

«Utilizzando un approccio collaborativo ed interdisciplinare per tutto il lifecycle dell’asset e processi BIM spesso automatizzati, stiamo aiutando il nostro cliente a raggiungere un sistema operativo più efficiente e sostenibile per una migliore infrastruttura delle gallerie. La necessaria ristrutturazione di vari tunnel richiede la restituzione geometrica ed informativa degli oggetti a specifici LOG e LOI per ogni fase, ma anche un nuovo design degli impianti, soprattutto per il comfort e la sicurezza dell’utente. Per quanto riguarda la situazione esistente, con l’ausilio di 7.000 piani e nuvole di punti, siamo stati in grado di realizzare un modello centralizzato di alta qualità integrato con il GIS».