La galleria di base del Ceneri: aspetti progettuali e costruttivi

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1 GALLERIE E GRANDI OPERE SOTTERRANEE La galleria di base del Ceneri: aspetti progettuali e costruttivi Davide MERLINI Pini & Associati SA Lugano Consorzio d ingegneri ITC (ITECSA-TOSCANO) Generalità La Galleria di base del Ceneri è la tratta più a sud della linea ferroviaria di pianura attraverso le alpi che percorrerà da nord a sud il territorio elvetico. Le opere sono commissionate dalla società AlpTransit Gotthard AG per conto della Confederazione Elvetica. La linea AlpTransit in questa fase, da Zurigo a Lugano, si compone di 3 gallerie di base:, Zimmerberg Basistunnel (20 km), Gotthard Basistunnel (57 km), Galleria di base del Ceneri (15,4 km). Lo scopo della realizzazione di queste opere è creare un tracciato che attraversi le Alpi con una quota massima di 550 m s.l.m., permettendo nel contempo di velocizzare gli spostamenti passeggeri da Milano a Zurigo e di aumentare l efficienza del traffico merci (Fig. 1). I dati caratteristici della galleria di base del Ceneri sono i seguenti: Galleria ferroviaria a 2 canne a binario singolo Velocità dei treni fino a 250 km/h Lunghezza totale opere sotterranee ca. 40 km Volume scavo ca. 3,5 Mio m 3 Collegamenti traversali ogni ca. 325 m Costo dell opera ca Mio (ca Mio CHF) Con uno sviluppo di gallerie a singolo binario pari a ca. 15,4 km la Galleria di base del Ceneri collega la piana di Magadino, nei pressi di Bellinzona, con Lugano. La galleria è collegata sia a nord che a sud con la linea FFS esistente ed alla linea ferroviaria regionale in direzione Locarno. Dopo la prospezione geologica (con lo scavo di un cunicolo di ca. 3km e di una caverna di 101m) che ha avuto luogo fra il 1997 ed il 2002 i lavori veri e propri sono iniziati ad aprile del 2006 con la costruzione di accessi ed infrastrutture di vario tipo per il cantiere. I primi lavori in sotterraneo hanno avuto inizio nel settembre del 2007, lo scavo della parte principale di galleria avverrà a partire dall inizio del 2010 per permettere la messa in esercizio della linea entro la fine del Raccordo in direzione nord e sud Il complesso collegamento diretto fra i tre maggiori centri ticinesi Bellinzona - Lugano - Locarno avviene attraverso una tratta all aperto denominata Nodo di Camorino. Fig. 1. 8

2 LA GALLERIA DI BASE DEL CENERI: ASPETTI PROGETTUALI E COSTRUTTIVI Di particolare rilevanza per la rete ferroviaria locale è il diretto collegamento fra le città di Lugano e Locarno, che permette di dimezzare la durata dell attuale tragitto (da 50 a 22 minuti). Il tracciato degli altri due binari (N-S e S-N) attraverso il piano di Magadino e nei pressi del portale Vigana è concepito oltre che per il raccordo alla linea FFS esistente anche in funzione di un futuro proseguimento della linea AlpTransit in direzione nord (Fig. 2). Il portale sud è posto al ridosso dell abitato di Vezia (nella zona periferica a nord di Lugano) all interno di uno stretto corridoio fra l autostrada A2, la galleria stradale Vedeggio-Cassarate (in questo periodo in costruzione) e la linea FFS esistente (Fig. 3). La nuova linea si situerà allo stesso livello della linea FFS esistente a ridosso della quale si affaccerà il portale sud. Il possibile prolungamento verso sud non avverrà nei pressi del portale, ma da 2 caverne di diramazione predisposte in sotterraneo (Caverne di Saré), una volta eseguito il completamento verso sud della linea ferroviaria, questa giungerà fino a Chiasso (sono ancora in discussione diverse varianti di tracciato) per andare poi a raccordarsi alla linea ferroviaria italiana (FS). Dispositivo di attacco intermedio A seguito delle caratteristiche geologichegeotecniche, della conformazione del territorio, dei fattori ambientali e della metodologia costruttiva si rende necessaria la creazione di un attacco intermedio che funga da nucleo logistico per le principali attività del cantiere. Il dispositivo d attacco intermedio è posizionato geograficamente a Sigirino a circa metà del tracciato della Galleria di base del Ceneri, suddividendo di conseguenza la galleria in due parti di lunghezza analoga. Il dispositivo di attacco intermedio si compone di un articolata logistica esterna composta da: raccordi autostradali villaggio operai, Infopoint ed Uffici aree di cantiere adibite ad installazioni raccordo ferroviario impianto di preparazione aggregati per calcestruzzo impianto di depurazione acque deposito materiale di scavo L attacco intermedio in sotterraneo si compone invece di: finestra di Sigirino (lunghezza ca. 2,3 km) cunicolo di prospezione di Sigirino (lunghezza ca. 2,8 km) caverna operativa (volume ca m 3 ) I due cunicoli fungono da accesso per veicoli e infrastrutture dall esterno fino alla caverna operativa, che svolge il ruolo di area di cantiere in sotterraneo. Dalla caverna operativa si sviluppano poi gli scavi sia in direzione nord sia in direzione sud. (Fig. 4) Caratteristiche galleria a binario unico La sezione tipo della galleria è progettata per soddisfare i molteplici requisiti derivanti dalle esigenze di esercizio della linea ferroviaria, oltre che da quelle esecutive e geotecniche. È prevista un esecuzione a doppio anello su tutta la lunghezza, con l anello esterno che garantisce la sicurezza temporanea dello scavo durante le fasi di avanzamento e l anello interno che dà la stabilità del cavo per tutta la vita utile (100 anni) della galleria. Le sezioni (Fig. 5) si differenziano a seconda che la galleria venga scavata con esplosivo o con fresa meccanizzata (TBM). Nel caso di scavo all esplosivo la sezione ha una forma ottimizzata a ferro di cavallo e la sicurezza dello scavo è garantita con Fig. 2 Fig. 3 9

3 D. MERLINI Fig. 4. calcestruzzo spruzzato armato con reti, ancoraggi e a seconda della necessità con centine. Nel caso di scavo con fresa meccanizzata (in questo caso scudata) la sezione circolare (9,60 m) è sostenuta tramite conci prefabbricati in calcestruzzo armato. L anello interno è previsto sia per la sezione scavata con TBM che per quella scavata all esplosivo ed è di norma non armato. Sono armate solo le zone geologicamente più delicate e quelle geometricamente più Fig. 5 complesse come quelle di incrocio con i cunicoli trasversali. Fra i due anelli è posto il sistema di drenaggio della volta e di impermeabilizzazione, l acqua di infiltrazione è collegata ad un collettore di drenaggio centrale che trasporta le acque verso l esterno (portale nord). Caratteristiche geologiche La galleria si sviluppa completamente nell ammasso roccioso cristallino prealpino situato sulla placca continentale africana (Fig. 6). La storia di queste rocce è sicuramente più remota di quella delle Alpi e dovrebbe risalire a circa 590 milioni di anni fa ed è il risultato di diversi movimenti tettonici e diverse orogenesi di cui la più recente è quella alpina (negli ultimi 100 Mio di anni). Da ciò deriva una situazione geologica complessa ed eterogenea composta da molteplici tipologie rocciose e da rilevanti zone disturbate (kakiritiche e cataclasitiche) e faglie originatesi soprattutto durante l orogenesi alpina. Attraverso un approfondita campagna di sondaggi (sondaggi singoli fino ad una lunghezza di 700 m; lunghezza totale dei sondaggi pari a circa la lunghezza della galleria) è stato possibile individuare e caratterizzare le tratte omogenee e le zone disturbate lungo l intero tracciato. A delineare il quadro geologico ha contribuito anche il cunicolo di prospezione di Sigirino, scavato a cavallo fra gli anni 90 e l inizio del nuovo millennio nella zona del dispositivo di attacco intermedio. La geologia del Ceneri può essere suddivisa in due distinte zone: Zona Ceneri Zona Val Colla Le due zone vengono separate da un importante faglia denominata linea della Val Colla. La zona Ceneri si trova nella parte nord della Galleria di base del Ceneri ed è sostanzialmente costituita da gneiss ed in misura inferiore da rocce basiche ed ultrabasiche (per esempio anfiboliti e serpentini) tutte frutto di un importante fenomeno metamorfico. La copertura in questa zona è fra i 600 ed gli 800 m e la scistosità è spesso orientata in modo sfavorevole rispetto al tracciato della galleria. Specie in un lungo settore, denominato del subparallelismo, si riscontra la presenza di numerose zone disturbate. La zona Val Colla si estende nel settore sud della galleria e comprende anch essa una successione di Paragneiss e Ortogneiss intercalata ad una roccia basica. La copertura in questa zona è bassa (da 50 m a 200 m) e la scistosità è spesso orientata in modo favorevole nella tratta più a nord, ma diventa sfavorevole con l avvicinarsi al portale. si riscontra la presenza di numerose zone disturbate. La linea della Val Colla ha una lunghezza di ca. 620 m ed è composta essenzialmente 10

4 LA GALLERIA DI BASE DEL CENERI: ASPETTI PROGETTUALI E COSTRUTTIVI Fig. 6. da milloniti risultato di un intensa deformazione duttile prealpina ed una deformazione fragile alpina. In tale settore sono previste convergenze elevate (ca. 30 cm) ed importanti misure costruttive per il sostegno dello scavo. Metodi di scavo ed avanzamento I metodi d avanzamento si basano sui risultati della prognosi geologica e di altri requisiti richiesti da altre condizioni quadro (per esempio impatto ambientale, logistica, rapporto tempistica/investimenti) (Fig. 7). Lo scavo della galleria di base del Ceneri avviene da tre punti di attacco, il dispositivo d attacco intermedio (ca. 90% degli scavi) il portale nord (Vigana) ed il portale sud (Vezia). Il controavanzamento al portale nord si sviluppa (per una lunghezza di ca. 700 m) a partire dall attraversamento al di sotto del rilevato dell autostrada A2, con un attraversamento in materiale sciolto di ca. 50 m. Per questa delicata parte d opera è previsto un trattamento del terreno con jet-grouting con scavo a settori (con cunicoli a paramento) per le sezioni di dimensioni maggiori (caverna a binario doppio con larghezza di oltre 20 m). In seguito lo scavo viene eseguito in roccia con metodo all esplosivo, le importanti sezioni (larghezze superiori a 20 m), la complessa geometria (diramazioni) e le difficili condizioni geologiche richiedono importanti provvedimenti per il sostegno del cavo (Fig. 8). Il controavanzamento al portale sud comprende una galleria a cielo aperto di ca. 220 m ed una tratta in roccia di 300 m eseguita all esplosivo. Le coperture molto basse, la roccia di qualità piuttosto sca- Fig. 7. Fig

5 D. MERLINI Fig. 9. dente e l impegnativo incrocio con la galleria stradale Vedeggio-Cassarate (distanza di ca. 4 m) impongono uno scavo a settori ridotti e tecniche di brillamento speciali. (Fig. 9). Nell ambito del dispositivo di attacco intermedio viene scavata una galleria con fresa meccanica aperta del diametro di 9,70 m e un articolato sistema di caverne (con sezioni fino a 270 m 2 ) all esplosivo per un totale di m 3. Dal dispositivo di attacco intermedio di svilupperà verso nord lo scavo delle due canne all esplosivo (lunghezza ca. 8 km). Lo scavo delle due canne in direzione sud avverrà, invece, sicuramente all esplosivo fino ed oltre la linea della Val Colla (lunghezza ca. 2 km), da questo limite in avanti (lunghezza ca. 4 km) sono previsti due diversi sistemi di avanzamento, con fresa meccanizzata scudata o all esplosivo. La scelta del sistema di avanzamento che ottimizzi investimenti finanziari, tempistica e rischi esecutivi. Sarà demandata all impresa che si aggiudicherà i lavori della tratta principale della galleria, Suddivisione delle opere e delle competenze fra committente, progettisti e imprese Nell ambito dello sviluppo del progetto, come consuetudine in gran parte delle grandi opere in Svizzera, vi è una chiara suddivisione fra le responsabilità progettuali e quelle esecutive. Il committente assegna le responsabilità progettuali così come il controllo dei lavori sul cantiere a studi d ingegneria specializzati, organizzati in gruppi multidisciplinari. Questi, in stretta collaborazione con la committenza, si occupano delle diverse fasi di progetto (in particolare le opere di genio civile) così come della conduzione del cantiere; questo incarico va dagli studi di fattibilità fino al collaudo dell opera. Una volta definiti i tracciati ci si occupa, nell ambito del progetto di pubblicazione e del progetto definitivo, di strutturare e dividere il cantiere in più fasi, discutendo con gli organi competenti permessi, autorizzazioni e finanziamenti, prima della messa a concorso delle opere costruttive. Per l esecuzione della galleria di base del Ceneri i lavori sono suddivisi in 3 fasi principali: Lavori preliminari Lavori preparatori Lavori principali e tecnica ferroviaria In questa struttura sono anche ripartiti i numerosi (più di 40) lotti a misura, e gli altrettanti voluminosi contratti fra committente e imprese esecutrici, atti a garantire un esecuzione che rispetti gli obiettivi finanziari, di tempistica e qualità prefissati. Di questi lotti solo 4 eseguono gli scavi in sotterraneo e 2 eseguono le prestazioni specialistiche di tecnica ferroviaria. Questo sistema garantisce elevati standard qualitativi e un approfondito studio di temi specialistici (per esempio ambientali) permettendo a ogni impresa esecutrice di concentrarsi al meglio sulle tematiche che più gli sono proprie. Ciò dà origine a contratti e procedure di delibera articolate (su cui pende anche il rischio di ricorso), a un forte concatenamento di attività fra un lotto e l altro, a una minuziosa e delicata gestione delle attività in cantiere atta a minimizzare il rischio di superamento di costi e/o prolungamento di tempo. Nella fase dei lavori preliminari ( ) si predispongono i principali accessi, gli edifici e infrastrutture all aperto (in special modo nell area del dispositivo di attacco intermedio) che permettono agli imprenditori specialisti che saranno chiamati a eseguire i lavori di scavo di avere a disposizione le infrastrutture primarie necessarie a potersi istallare e a poter iniziare dopo breve tempo i lavori di propria competenza. Nell ambito dei lavori preliminari si predispongono: strade e accessi (stradali e autostradali) infrastrutture (allacciamenti elettrici, rete acqua potabile e industriale, scarico acque luride e chiare, rete telefonica, ecc.) villaggi operai (450 persone), uffici (120 persone), Infopoint impianti per prestazioni specialistiche, quali: depurazione acque gestione materiale produzione aggregati per calcestruzzo ecc. Nella fase dei lavori preparatori ( ) si completano alcune istallazioni specialistiche e alcune infrastrutture accessorie e si esegue il dispositivo di attacco intermedio in sotterraneo, in particolare: raccordo ferroviario (adibito allo scarico di aggregati e cemento) costruzione della discenderia di accesso FIS costruzione di un sistema di caverne posizionate in asse con la galleria, in futuro adibite alla logistica (CAOP). Solo una volta terminate queste opere iniziano i lavori principali che eseguono lo scavo, il rivestimento e la posa degli equipaggiamenti ferroviari nella galleria ( ). Le opere sono suddivise in tre cantieri: scavo e rivestimento nella zona del portale nord (per ca. 700 m) inclusa l esecuzione dei portali 12

6 LA GALLERIA DI BASE DEL CENERI: ASPETTI PROGETTUALI E COSTRUTTIVI scavo e rivestimento nella zona del portale sud (per ca. 300 m) inclusa l esecuzione della galleria a cielo aperto e del manufatto al portale scavo e rivestimento delle restanti parti di galleria dal dispositivo di attacco intermedio verso nord e sud (ca. 90% della tratta); esecuzione di banchine ed equipaggiamento ferroviario su tutta la tratta Una volta terminate queste opere gli specialisti di tecnica ferroviaria poseranno le infrastrutture e le istallazioni che permetteranno il passaggio dei treni nella galleria. Parallelamente si svolgeranno i lavori di ripristino e la demolizione di tutti i provvisori predisposti durante la fase di cantiere. Esecuzione, stato dei lavori Fig. 12 Caduta del diaframma a Sigerino. Fig. 13 Scavo mediante esplosivo. Attualmente sono praticamente conclusi sul cantiere di Sigirino i lavori preliminari mentre i lavori preparatori sono ben avviati. In particolare all esterno sono completati tutti gli edifici, sono in fase di montaggio gli impianti per la gestione del materiale (Fig. 10) ed è operativo l impianto per la depurazione delle acque (Fig. 11). In sotterraneo è stato completato lo scavo con fresa meccanizzata aperta di diametro 9,70m (Fig. 12) ed è in corso di svolgimento lo scavo di caverne all esplosivo (Fig. 13), tali lavori si protrarranno fino al termine del 2009 per dare in seguito spazio ai lavori principali. Nelle zone dei portali, oltre ad una serie di lavori accessori (infrastrutture, opere viarie, ecc.), sono in fase di esecuzione le trincee di approccio sia al portale nord (Fig. 14) e sia al portale sud (Fig. 15). Per ulteriori informazioni sul cantiere e sui lavori invitiamo a visitare il sito: Attribuzione dei provvedimenti di sicurezza in sotterraneo e calcolo del programma lavori nella fase esecutiva. Nel caso di scavo e avanzamento all esplosivo, a livello progettuale e contrattuale vi è un modo di procedere piuttosto consolidato per l attribuzione dei provvedimenti di sicurezza in fase di progetto definitivo e il loro adeguamento e/o ottimizzazione, con le relative conseguenze in tempi e costi in fase esecutiva. A partire dalle caratteristiche geologiche/ geotecniche la galleria viene suddivisa in una serie di tratte omogenee (in totale 47) e vengono stabiliti una serie di profili tipo di sostegno che rappresentano delle sezioni base di galleria complete di provvedimenti di sicurezza. Per la Galleria di base del Ceneri, nella tratta a binario unico scavata all esplosivo, sono ad esempio stabiliti 10 profili tipo di sostegno con sicurezza crescente da 1 a 10. In seguito ad ogni tratta omogenea è assegnata una ripartizione di questi 10 profili tipo di sostegno. Il documento che racchiude Fig. 10 Impianti per la gestione del materiale. Fig. 11 Impianto per la depurazione dell'acqua. Fig. 14 Esecuzione trincee di approccio al portale sud. 13

7 D. MERLINI Fig. 15. queste informazioni è denominato profilo geomeccanico. A partire dal profilo geomeccanico vengono preparati gli atti d appalto che richiedono agli imprenditori di indicare costi e tempi per l esecuzione dei profili tipo di sostegno previsti. Per ciò che riguarda i costi agli imprenditori è richiesto di completare un elenco delle prestazioni indicante gli oneri finanziari per l esecuzione di lavorazioni quali: scavo dei diversi profili tipo di sostegno messa in opera dei vari provvedimenti di sicurezza (calcestruzzo spruzzato, ancoraggi, reti, centine, ecc.) messa in atto di provvedimenti e/o misure speciali quali sondaggi, iniezioni, ecc. Per ciò che attiene la tempistica esecutiva agli imprenditori è richiesto di compilare delle tabelle denominate Tabelle durata teorica dei lavori, durata determinante, termini. In queste tabelle gli imprenditori devono indicare la tempistica prevista per: eseguire lo scavo dei diversi profili tipo di sostegno (inclusa la messa in opera dei provvedimenti di sicurezza previsti) gli impedimenti all avanzamento derivanti da altre lavorazioni, quali: franamenti geologici esecuzione di sondaggi venute d acqua iniezioni ecc. Con questi dati teorici l imprenditore costruisce il proprio programma lavori spazio tempo mediante il quale sono stabiliti i termini oggetto di penale. Tutti questi documenti sono richiesti in fase di gara agli offerenti e in caso di stipula di un contratto sono elementi chiave della documentazione contrattuale. In cantiere, a partire dal progetto esecutivo (redatto in analogia con i profili tipo di sostegno contrattuali) imprenditore e committente (rappresentato dalla direzione lavori) stabiliscono a seconda delle effettive condizioni riscontrate sul posto i profili tipo di sostegno da adottare così come eventuali provvedimenti ausiliari. Sulla base della suddivisione effettiva dei profili tipo di sostegno sono retribuiti scavo, provvedimenti di sicurezza, ecc. e viene calcolata la durata determinante dei lavori. Per durata determinante dei lavori si intende la tempistica che l imprenditore ha a disposizione sulla base delle effettive condizioni riscontrate sul cantiere. Nel caso in cui la tempistica effettivamente rilevata sul cantiere (durata effettiva) diverga da quella determinante l imprenditore può essere messo in mora sulla base di quanto definito negli atti contrattuali. Un esempio (riguardante lo scavo della Finestra di Sigirino) di quanto indicato, ovvero in merito alla variazione delle durate a seconda delle effettive condizioni riscontrate e della tempistica effettiva di scavo è indicata nella figura 16. Con questi strumenti imprenditore e committente hanno modo di stabilire la suddivisione dei rischi legati agli imprevisti geologici in cantiere in modo il più possibile trasparente e con una chiara ripartizione di responsabilità sia a livello finanziario sia a livello di tempistica esecutiva. 14