La tecnologia del calcestruzzo proiettato su terreno congelato: il caso del “Sottoattraversamento fiume Isarco”

L'Ing. Pietro Massinari, Product Manager Tunneling di CHRYSO Italia, illustra, passo dopo passo, le tecniche d'intervento con cui sono state consolidate le gallerie del "Sottoattraversamento Isarco", uno dei lotti per la realizzazione della Galleria di base del Brennero.

Dalla tecnica del congelamento per consolidare il terreno all’utilizzo del calcestruzzo proiettato strutturale: tutti i dettagli costruttivi.

 

 

La Galleria di base del Brennero e il Lotto "Sottoattraversamento Isarco"

La Galleria di base del Brennero è costituita da vari lotti sia nel territorio italiano sia in quello austriaco.

Il Lotto "Sottoattraversamento Isarco" è quello che si posiziona più a sud dell’intera opera ed è stato affidato, a ottobre del 2014, al consorzio RTI Isarco s.c.a.r.l. composto da Webuild S.p.A. (già Salini-Impregilo), 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 classica 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. Il termine dei lavori di questo lotto è previsto alla fine del 2022. 

La maggior parte dei lavori di questo lotto si svolge nel fondovalle, prevedendo una serie di interventi all’aperto, tra cui rientra il consolidamento del terreno propedeutico allo scavo delle gallerie con il metodo tradizionale. Questi interventi di consolidamento del terreno consistono nella tecnica del jet grouting.

Nell’ambito di questo lotto saranno sottoattraversate l’autostrada del Brennero A22, la strada statale SS12, la linea ferroviaria esistente e in particolar modo il fiume Isarco.

Per sottoattraversare il fiume, sarà utilizzata anche un’altra particolare tecnica di consolidamento del terreno: il congelamento.

 

 

In seguito al consolidamento del terreno con la tecnica del jet grouting, sono stati scavati 4 pozzi tramite i quali è possibile raggiungere la quota del tracciato della gallerie, ad una profondità di circa 25 metri, da cui sono stati avviati gli scavi in sotterraneo, in direzione nord, sempre con metodo tradizionale.

 

Lo scavo sotto il fiume Isarco e la tecnica del congelamento del terreno

I preparativi per lo start up dello scavo sotto alveo sono durati mesi.

Il processo di congelamento è altamente complesso: si tratta di una procedura applicata nell’ambito delle opere in sotterraneo, dove il suolo viene congelato artificialmente rendendolo compatto e impermeabile.

Partendo da uno dei quattro pozzi realizzati nel cantiere del Sottoattraversamento dell’Isarco, sono stati congelati la falda e il materiale alluvionale al di sotto dell’alveo del fiume.  

Si è proceduto a iniettare azoto liquido all’interno di un circuito aperto, costituito da “tubazioni di congelamento” o sonde, sotto il fiume. L’azoto con una temperatura di -196°C scorrendo all’interno di queste tubazioni ha sottratto il calore dal suolo circostante. 

Di conseguenza, l’acqua all’interno del suolo sotto al fiume si è congelata e la temperatura del suolo è scesa a -35°C. 

Per mantenere queste temperature del suolo durante lo scavo, all’interno di un circuito di raffreddamento viene fatta circolare della salamoia (refrigerante).

 

 

Mediante tale procedura è stato possibile consolidare il materiale sciolto al di sotto dell’alveo del fiume e successivamente si è potuto avviare l'intervento per i lavori di scavo della prima galleria sotto l’Isarco.

Grazie al metodo del congelamento, si è evitato di dover spostare il percorso del fiume che attraversa il tracciato della Galleria di base del Brennero e ridurre gli impatti ambientali, in particolare sulla fauna ittica dell’Isarco.

 

Il calcestruzzo proiettato strutturale per il consolidamento dello scavo

Le gallerie del lotto Isarco, scavate con il metodo tradizionale, sono consolidate tramite l’utilizzo di calcestruzzo proiettato  strutturale.

La tecnologia del calcestruzzo proiettato o calcestruzzo spruzzato (chiamato anche gunite, sprayed concrete o spritz beton) consiste nello spruzzo, mediante una lancia ad aria compressa, di una miscela cementizia additivata con prodotti acceleranti di presa, solitamente esenti da alcali (a differenza degli storici additivi a base di silicato di sodio).

Questi ultimi consentono l'aggrappo istantaneo del conglomerato nel momento in cui raggiunge la superficie di applicazione garantendo una massa compatta e omogenea. Il calcestruzzo proiettato è utilizzato nelle opere di ingegneria civile in cui è richiesta la messa in opera di calcestruzzo in assenza di casseforme su strati successivi e quando sono richieste resistenze meccaniche elevate a brevissima scadenza.

La tecnologia del calcestruzzo a proiezione, originariamente fu ideata come rivestimento provvisorio per il consolidamento e protezione primaria nelle opere sotterranee. 
Attualmente viene sempre più considerato anche come rivestimento portante definitivo grazie allo sviluppo della tecnologia dei materiali e delle prestazioni meccaniche che oggi è possibile progettare e successivamente mettere in opera.

Chryso Italia è partner del Consorzio fin dall’inizio del cantiere nel 2016, con l’accelerante di presa CHRYSO Jet 910 AF, prodotto scelto per le prestazioni ottenute in fase di proiezione, in termini di sfrido, dosaggio reale e incidenza sulle prestazioni meccaniche finali.

Ma con il rivestimento delle gallerie trattate con la tecnologia del congelamento, ci si è dovuti confrontare con condizioni applicative totalmente differenti.

 

La tecnica del calcestruzzo spruzzato e le condizioni applicative su terreno congelato

Le speciali sonde congelatrici sono posizionate a un metro all’interno dello scavo e le misurazioni sull’estradosso portano a una temperatura di -10 °C: è in questo punto che deve essere applicato il primo strato di calcestruzzo fibrorinforzato dello spessore di 10 cm.

La seconda fase è quella del posizionamento delle centine e l’applicazione di calcestruzzo proiettato senza fibre per altri 20 cm di spessore.

In questo caso la temperatura è di circa – 5° C, quindi le condizioni sono estreme, e devono essere garantite tutte le condizioni di sicurezza e tecniche, in primis la coesione tra il supporto e il calcestruzzo.

Per ottemperare a queste condizioni si è studiato un mix di calcestruzzo proiettato specifico, inoltre la fase di applicazione è stata volutamente accelerata.

Di seguito riportiamo i valori medi misurati durante le varie fasi dell’applicazione del calcestruzzo in galleria:

 

 

Le miscele di calcestruzzo utilizzate e prestazioni a confronto 

Le miscele di calcestruzzo, preventivamente qualificate dalla DL, sono specificate nelle tabelle seguenti:

 

 

Le miscele vengono qualificate e controllate, a cadenza settimanale secondo i seguenti parametri:

• Composizione (A/C reale)
• Lavorabilità (spandimento), andamento della consistenza
• % aria inglobata
• Resistenza su provini cubici a 28 giorni

Inoltre per il calcestruzzo proiettato:

• Dosaggio reale accelerante (% sul dosaggio cemento)
• Stima a resistenza a compressione tramite penetrometro (rispetto  Curva J2) fino a 60 ‘
• Resistenza alle brevi (12 ore) tramite metodo Hilti 
• Resistenza su cilindri prelevati tramite carotaggi a 2 gg 28gg
• Densità 
• Spessore sprizt beton
• Energia assorbita su piastra (590 J a 7 gg.), per quello fibrato

 

Esempio di verbale controllo in corso d’opera

Controllo dosaggio accelerante, stima della resistenza alle brevi (fino a 60’):

 

 

Misurazioni su spritz beton su congelamento

Spessore medio del calcestuzzo proiettato: 30 cm 

Temperatura superficie spritz beton prima del carotaggio: da 0°C a 2,5 ° C.

 

 

Temperatura fondo carotaggio : da -4°C a -1°C.

 

 

Conclusioni

Le foto dei carotaggi evidenziano la presenza di ghiaccio, nonostante le condizioni estreme di applicazione e maturazione a temperature sotto lo zero, la resistenza meccanica misurata media risulta essere di 36 MPa, contro una media di 39 MPa (i valori si referiscono alla rottura della carota senza alcun coefficente di correlazione).

Il valore ottenuto in condizioni severissime, porta ad una minima riduzione della resistenza a compressione, indicativamente del 8% (su una media di 10 prelievi). Valori assolutamemte accettabili e ampiamente conformi alle prescrizioni tecniche richieste dal progetto.

Possiamo quindi affermare che la tecnologia utilizzata del calcestruzzo proiettato, con le dovute correzioni e accorgimenti e con l’utilizzo delle corrette materie prime, si è rivelata tecnicamente appropriata per la specifica applicazione.

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>>> In allegato il PDF con i dettagli dell'intervento