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Nuova specie di gallerie ferroviarie profonde e lunghe

Analisi delle particolari e complesse problematiche della costruzione delle nuove nuove linee ferroviarie caratterizzate da elevate lunghezze e profondità.

Le future linee ferroviarie

I futuri trasporti di persone e merci attraverso grandi aree continentali, tipo la euroasiatica nella quale viviamo, saranno sviluppati via terra, grazie alla grande capacità trasportistica dei treni (più lunghi, pesanti e veloci) ed ai connessi risparmio energetico e sostenibilità ambientale, vincolando sin da ora la concorrenza con il traffico aereo.

Saranno costruite nuove linee ferroviarie ad alta velocità che correranno quasi su un piano orizzontale: e dovranno essere in galleria, per raggiungere velocemente le grandi aree urbanizzate, ed i connessi nodi di interscambio, sottopassando ogni tipo di ostacolo, naturale e/o costruito.

In ogni caso, queste reti ferroviarie dovranno essere costituenti privilegiati di un territorio vario già piuttosto ingombro, ma che comunque dovrà rimanere il più possibile libero per consentirvi la produzione di cibo (erba e carne).

Le nuove linee ferroviarie scenderanno dunque in galleria: a non grande profondità per sottopassare vaste aree urbanizzate o corsi d’acqua, come anche a profondità molto grandi (meglio dire con coperture molto grandi!) di un migliaio e più metri, per attraversare alla quota di base della rete ferroviaria vaste catene montuose.

E’ proprio la profondità che le caratterizza come una nuova specie, giacché la profondità rende molto più complessi i comportamenti geomeccanici delle masse rocciose attraversate e quindi altrettanto complessi gli studi che vengono richiesti in sede di progettazione ed analogamente complesse le indagini “geologiche, geomeccaniche ed idrogeologiche” preliminari che saranno indispensabili.

Purtroppo le esperienze di studio e costruzione di opere sotterranee similari è ancora molto scarsa: solo un traforo è terminato ed è stato aperto al traffico nel 2016, un secondo è ancora in costruzione e per il terzo sono appena stati assegnati quasi tutti i lotti di lavoro tutti attraverso le Alpi:

  • il San Gottardo in Svizzera lungo circa 57,5 km che è già stato aperto al traffico nel 2016;
  • il Brennero circa 55,5 km, sulla linea Verona Innsbruck Monaco, tra Italia ed Austria, che è in avanzato stato di costruzione;
  • il Moncenisio circa 55,5 km sulla linea Torino Lione, tra Italia e Francia, i cui lavori stanno per iniziare essendo già stati assegnati gli appalti per la costruzione.
Fig. 1 – Le tre gallerie ferroviarie di nuova specie, che attraversano le Alpi
Fig. 1 – Le tre gallerie ferroviarie di nuova specie, che attraversano le Alpi

Il primo grande problema di queste nuove gallerie ferroviarie

La sia pur breve esperienza acquisita sino ad ora ha comunque già consentito di esaltare il primo grande problema: al giorno d’oggi non esistono metodi di indagine geostrutturale e geomeccanica affidabili per queste grandi profondità.

Un’affermazione di questo tipo, che però riproduce fedelmente la realtà, non è gradevole per nessuno, ma tuttavia rappresenta la situazione reale già chiaramente assorbita dai progettisti delle gallerie in costruzione, pur essendo ancora pochi per essere esempi - scuola.

Le prime grandi intrinseche difficoltà che derivano dalle grandi profondità e lunghezze sono determinate innanzitutto dall’accertamento della fattibilità del grande traforo, che è un’esigenza nuova delle gallerie profonde!

E’ l’enorme impatto economico, trasportistico, ambientale e sociale che le nuove linee ferroviarie impongono che, ha fatto sì che nei pochi esempi passati (ma sarà così inesorabilmente anche per similari progetti futuri) in una fase di studio ancora preliminare alle indagini “geo” di progetto, debba essere accertata la fattibilità dello scavo: solo dopo si potrà incominciare a valutarne la “sostenibilità”.

Subito due casi si sono appalesati ed hanno richiesto impegnative risorse e tempo. Non è questa la sede di descriverli in dettaglio, per cui è sufficiente capirne la natura e studiarli per apprendere dalla letteratura le soluzioni adottate:

  • Traforo del San Gottardo. Il problema della non fattibilità era stato generato dalla cosiddetta sinclinale della fiora che era diventata una estesa e profonda discontinuità verticale e trasversale al tracciato piena di milonite saccaroide per più di 1500 m di profondità, sede di una enorme falda d’acqua, con affioramenti in testa.
    1500 m di milonite ed acqua rendono il traforo non fattibile.
    Stante la evidente impossibilità tecnica ed economica da eseguire snodaggi della superficie, la Committenza decise di eseguire, prima di passare al progetto del traforo, una speciale indagine costituita da una piccola galleria TBM d’accesso a partire da una valle laterale che consente di penetrare nel massiccio montuoso ad una quota di soli 300 m superiore a quello del traforo, lunga ben 6 km, al termine della quale sono state realizzate piazzole interne per sondaggi - la cui lunghezza era solo di qualche centinaio di metri. La accurata campagna di indagini ha accertato che alla profondità del traforo la sinclinale era chiusa, senza milonite e senza acqua, per cui il traforo risultava fattibile.
  • Traforo del Moncenisio. Gli studi di tettonica generale, alcuni sondaggi e la costruzione di un accesso laterale in discenderia da utilizzare per eseguire gli scavi, hanno consentito di rilevare alla quota del traforo (700 m di copertura) la presenza di una bancata trasversale piuttosto potente di un debole scisto all’interno del grés ospitante, costituita dal cosiddetto carbonifero che è uno scisto ricco di carbone che fu utilizzato come combustibile nel corso delle due ultime guerre mondiali. A questo punto, la Committenza decise di costruire preventivamente 10 km circa di una canna ferroviaria che attraversa il carbonifero produttivo ed i materiali scistosi che lo contengono, per circa 9 km da perforare con TBM e circa 1,5 km (i più problematici) da scavare con metodo convenzionale. Entrambi i cantieri hanno potuto compiere lo scavo, seppure con molta difficoltà, ma il Traforo è risultato fattibile.

La grande lunghezza assieme alla grande profondità, nonché ai rigidi vincoli di tracciato delle linee ferroviarie ad alta velocità ed alla carenza di preliminari informazioni geotecniche e geostrutturali, fa sì che al di là di qualche aggiustamento nell’ambito del corridoio di tracciati studiati (corridoio che non ha solo vincoli geomeccanici!) tali nuove gallerie debbono attraversare le formazioni geologiche che la natura pone loro davanti, buone o cattive che siano.

In ogni caso sono gallerie assai lunghe (di molte decine di chilometri) che dovranno attraversare svariati tipi di formazioni geologiche, per cui richiedono impegnative attività di indagine “geo” per consentire la redazione del progetto crescente.

L’esperienza costruttiva con tali gallerie è già in grado di caratterizzarle come gallerie di nuovo tipo, sensibilmente diverse da quella del passato.

Innanzitutto la loro lunghezza od anche solo la lunghezza attorno ai 20 km dei vari lotti di lavoro, in cui devono essere suddivise per poterli scavare in parallelo, così da contenere il tempo globale di costruzione, impone che gli scavi vengano attuati con TBM da roccia, aperte o scudate, senza che sia possibile attivare una contropressione stabilizzante al fronte (ad esempio con modalità EPB o HS) a causa della profondità e degli elevatissimi carichi litostatici nonché idrici che vi si potrebbero incontrare.

Fig. 2 – Una TBM scudata da roccia
Fig. 2 – Una TBM scudata da roccia


I problemi di scavo (costruzione) della galleria nascono al fronte giacché è lì che la galleria viene costruita e per costruirla è necessario controllare la naturale instabilità del fronte a questa grande profondità.

C’è una grande differenza tra fronte aperto ed accessibile e fronte occupato dalla testa di scavo della TBM da roccia, perciò, non visibile e molto difficilmente accessibile.

Fig. 3 – Differenza tra l’accessibilità di un fronte scavato in tradizionale (a sinistra) e uno scavato con TBM. In rosso le aperture della TBM dalle quali è possibile vedere solo porzioni molto limitate di fronte.
Fig. 3 – Differenza tra l’accessibilità di un fronte scavato in tradizionale (a sinistra) e uno scavato con TBM. In rosso le aperture della TBM dalle quali è possibile vedere solo porzioni molto limitate di fronte.


Nel caso di impiego di TBM scudata da roccia
come in queste gallerie profonde, ben poco si può fare in termini di valutazione dell’operatività di mezzi adeguati.

Pertanto, l’instabilità del fronte con TBM scudata è un problema molto serio anche quando la TBM è ancora in grado di avanzare senza richiedere speciale consolidamento del fronte.

Una pur limitata, ma frequente instabilità del fronte, modifica sensibilmente l’interazione con le circostanti condizioni “geo” con il risultato di rallentare la produzione di scavo: ridotta velocità di avanzamento, difficoltà di guida della TBM, fermate frequenti a causa della necessità di una coppia più alta, sovraccarico del sistema di nastri di smarino, irregolarità nel fronte che teoricamente dovrebbe essere piano, ma che invece a causa di anormali blocchi di roccia diventa una superficie irregolare che genera un contatto solo parziale della testa della macchina sulla roccia al fronte ed un rilevante aumento del consumo degli utensili per usure ed urti.

Inoltre, il distacco di blocchi dal fronte favorito dall’elevato carico litostatico genera l’intasamento della testa di scavo per cui il marino non può defluire regolarmente, si crea sul nastro un anomalo carico anche puntuale che può danneggiare il nastro stesso.

La galleria è ingombrata dalla macchina nella zona del fronte; il gestore della TBM può quindi fare poco per adeguarsi alle suddette situazioni di instabilità perché la TBM pone gravi ostacoli per carenza di spazio ad un rinforzo del fronte: il ritocco dei parametri di azionamento macchina, come la riduzione della velocità di avanzamento, della velocità di rotazione della testa ed anche (ma con maggiori difficoltà operative) la riduzione degli spazi di passaggio attraverso la testa del marino dal fronte alla camera di scavo.

Nello scavo convenzionale delle gallerie, l’impatto di differenti condizioni geologico-geomeccaniche sui tempi e sui costi di scavo e di sostegno della galleria può essere gestito mediante adeguati prezzi unitari applicati a classi tecniche di roccia o a classi di sostegni, meglio individuati grazie alla accessibilità al fronte.

Questa possibilità non è applicabile allo scavo con TBM scudata.

Peraltro, certi gradi di instabilità dei fronti con una macchina scudata da roccia possono essere gestiti senza necessità di consolidamenti al fronte. Ma comunque in questi casi la TBM è costretta ad una minore produzione e purtroppo non sono ancora disponibili modelli di divisione dei rischi per consentire la definizione di un meccanismo di compenso che deve in ogni caso inserire queste difficoltà.

Pertanto, visto che le gallerie ferroviarie per linee transcontinentali sono già diventate una realtà di nuova specie e in quanto profonde e lunghe, appare necessario che vengano urgentemente studiati specifici adeguamenti contrattuali che tengano in conto anche delle ripetute instabilità del fronte (fronte che non si vede, giacché i negativi impatti sulla costruzione possono essere determinanti sulla durata e sul costo della costruzione stessa.

Fig. 4 – Fotografie di fronti di scavo in roccia con TBM che consentono di apprezzare differenti comportamenti a seguito dello scavo ed instabilità della massa rocciosa, rilevabili solo con l’attuazione dello scavo.
Fig. 4 – Fotografie di fronti di scavo in roccia con TBM che consentono di apprezzare differenti comportamenti a seguito dello scavo ed instabilità della massa rocciosa, rilevabili solo con l’attuazione dello scavo.

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