IL METODO TOP-DOWN E BOTTOM-UP

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1 Massimo Chiarelli (1) IL METODO TOP-DOWN E BOTTOM-UP La costruzione della stazione San Giovanni con il metodo top-down LE STAZIONI DELLA NUOVA METROPOLITANA DI ROMA La costruzione delle stazioni di una linea metropolitana non è cosa semplice. Ancor più difficile è immaginare la loro realizzazione in aree urbane congestionate e/o caratterizzate da sviluppi diversi sia da un punto di vista storico-artistico che urbanistico. 1. La stazione R. Malatesta realizzata con sistema misto top-down e bottom-up È questo il caso delle stazioni della nuova Linea C e B della metropolitana di Roma, stazioni che coniugano un sistema moderno di mobilità con un contesto urbano pregno di opere di interesse storico e artistico sia in superficie che nel sottosuolo. Le nuove linee della metropolitana sorgono in aree ormai intensamente edificate con pochi spazi liberi per ubicare le stazioni e i cantieri necessari per la loro realizzazione. Inoltre, il substrato dell attuale tessuto urbano è caratterizzato dalla sovrapposizione di più strati di interesse archeologico, ciascuno legato ad uno specifico periodo storico. Le nuove linee attraversano aree diverse della città passando dal centro storico alla semiperiferia e periferia, pertanto, le stazioni, sono state progettate adeguandole architettonicamente al contesto urbano in cui ricadono. Per la loro realizzazione si è adottata una soluzione costruttiva tra paratie con l applicazione del metodo top-down e/o bottom-up in funzione delle specifiche situazioni (geotecniche, geometriche, ambientali) ovvero, dalle necessità dettate dal programma lavori. Per la stazione di partenza delle TBM (Conca d Oro) è stato adottato il metodo bottom-up che comporta minori tempi per raggiungere con lo scavo la quota del solettone di fondo sul quale avviare il montaggio delle TBM. 2 STRADE & AUTOSTRADE

2 STAZIONI METROPOLITANE 2. La sequenza di realizzazione dei diaframmi Per la stazione Libia, in considerazione dell estrema vicinanza dei fabbricati e, quindi, dell impatto dei cantieri sul contesto urbano, si è adottato il metodo top-down sfruttando per lo scavo la protezione del solettone di copertura. Operativamente, prima di eseguire lo scavo per la costruzione delle stazioni, si lavora per spostare tutte le reti di servizio (acqua, luce, gas, telefono, ecc.) cambiandone i percorsi in modo che non interferiscano con i lavori. Delimitata l area di lavoro e deviato il traffico veicolare, la costruzione di una stazione inizia con la realizzazione dei diaframmi che costituiranno le pareti esterne di una grande scatola di calcestruzzo armato: in questo modo, si contiene il terreno circostante allo scavo impedendone i cedimenti ma, cosa più importante, si consentirà a tutte le Maestranze di lavorare in assoluta sicurezza. Sono proprio i diaframmi di sostegno perimetrali in c.a. e il tampone di fondo gli elementi costruttivi comuni ai due metodi topdown e bottom-up. I diaframmi sono realizzati mediante idrofresa o benna mordente mentre il tampone di fondo con sistema jet-grouting: tutto è eseguito operando dal piano campagna. I diaframmi in calcestruzzo armato scavati direttamente nel terreno, rappresentano un evoluzione della paratia costituita da pali trivellati. Utilizzando i pannelli (elementi a sezione rettangolare) invece dei pali (elementi cilindrici), si riduce il numero dei giunti che rappresentano il punto debole della paratia a pali secanti. I diaframmi si distinguono in funzione del campo di utilizzo: strutturali (come opere di contenimento o di fondazione); con funzione idraulica impermeabili (diaframmi plastici) o drenanti (trincee drenanti). I diaframmi strutturali sono quelli di interesse nel caso della costruzione di una stazione nel sottosuolo distinguendone, in funzione delle modalità di esecuzione, tre tipologie: in calcestruzzo armato gettati in opera; in calcestruzzo armato prefabbricati; a fango auto-indurente armati. In funzione delle modalità di scavo si identificano: scavo con fango a riposo; scavo con fango in movimento; scavo a secco senza impiego di fanghi. LE MODALITÀ ESECUTIVE DEI DIAFRAMMI IN C.A. GETTATI IN OPERA Abbiamo visto che le fasi realizzative delle stazioni della Linea C e B prevedono la costruzione di una cintura perimetrale di diaframmi l uno accanto all altro avente, generalmente, una pianta rettangolare. Durante la costruzione della cintura, si procede al consolidamento e alla stabilizzazione del terreno al di sotto del fondo di quella che sarà la futura stazione, mediante la tecnologia del jetgrouting. Questo consolidamento chiamato tampone di fondo, offrirà una barriera alla risalita dell acqua dal sottosuolo durante i lavori di scavo. Le fasi di scavo sono eseguite con una benna mordente (scavo con fango a riposo) o con una idrofresa (scavo con fango in movimento) in presenza di fango bentonitico: quest ultimo è costituito da una miscela di acqua, bentonite e additivi. Lo scavo con fango a riposo equivale all impiego della benna mordente per la disgregazione, la rimozione e l evacuazione del materiale di risulta avendo, il fango, la sola funzione di sostegno delle pareti di scavo. 3. La costruzione dei diaframmi in Via dei Fori Imperiali 4. L idrofresa 5. La posa in opera della gabbia di armatura del diaframma STRADE & AUTOSTRADE 3

3 6. La costruzione della stazione San Giovanni con il metodo top-down 7. L interno della stazione San Giovanni punto l idrofresa per lo scavo dei diaframmi capace di scavare anche materiali lapidei e di consentire il controllo della verticalità entro limiti prima inimmaginabili. Il fango bentonitico ha un peso di volume superiore a quello dell acqua e crea un sottile velo impermeabile sulla parete della trincea. Inoltre, i fanghi hanno proprietà tixotropiche ovvero, sono fluidi se in movimento e semisolidi se fermi. Il fango sostiene le pareti eliminando la necessità di introdurre sistemi di sostegno meccanico che risulterebbero costosi e intralcerebbero le operazioni di scavo. Completato lo scavo della trincea si inserisce la gabbia di armatura e si esegue il getto del calcestruzzo (dal basso verso l alto). Man mano che si procede con il getto, il fango bentonitico verrà pompato a rifiuto o a stoccaggio. Le gabbie di armatura, pre-assemblate in moduli trasportabili, sono costituite da ferri longitudinali, staffe, ferri di irrigidimento laterale e frontali: gli irrigidimenti sono utili per evitare svergolamenti in fase di trasporto, assemblaggio e posa in opera. Le modalità esecutive dei diaframmi si possono sintetizzare come segue: formazione dei cordoli guida: delle dimensioni di cm con altezza di cm al fine di fornire un allineamento permanente materializzato sul terreno; scavo eseguito in presenza di fango bentonitico con eventuale dissabbiamento in presenza di terreni sabbiosi o limosi; pulizia dello scavo e dissabbiamento; posa armatura metallica; posa in opera del calcestruzzo; scapitozzatura: della testa del diaframma; La benna a valvole asporta il terreno sostituendolo immediatamente con un pari quantitativo di fango bentonitico, cosicché sono garantite le condizioni di equilibrio delle pareti della trincea. Lo scavo con benna viene utilizzato nei terreni sciolti dove non sia richiesta la frantumazione con continuità di elementi litoidi. La benna può essere sospesa ad una fune o solidarizzata ad un asta di manovra rigida tipo Kelly. Lo scavo con fango in movimento equivale, invece, all uso di un utensile in grado di tagliare verticalmente in continuo il terreno, in un unica passata, ed eliminare i detriti di scavo per via idraulica con circolazione rovescia del fluido di perforazione. Sfruttando tale principio, negli anni Ottanta è stata realizzata e messa a 8. La stazione Annibaliano realizzata con il metodo top-down 4 STRADE & AUTOSTRADE

4 STAZIONI METROPOLITANE 9. La banchina della stazione Annibaliano 10. La stazione Libia realizzata con il metodo top-down controlli in corso d opera: dei tracciamenti; delle procedure di scavo e della verticalità; del fango di perforazione; delle armature; del getto di calcestruzzo; controlli finali: prove di carico; controlli non distruttivi di integrità del diaframma (prove di ammettenza meccanica e prove soniche). Nel caso di utilizzo di idrofresa, la sezione trasversale rettangolare è imposta dalle caratteristiche della macchina. Con questa tecnologia si ha il vantaggio di poter lavorare in presenza di materiali consistenti, di raggiungere profondità elevate e di creare una cortina di paratia praticamente continua. Le fasi esecutive prevedono la realizzazione di diaframmi in maniera alternata, generalmente definiti primari e secondari, con una piccola sovrapposizione laterale. Tale sovrapposizione consente infatti la formazione del giunto a tenuta idraulica assicurata senza l utilizzo di particolari elementi di giunto necessari, invece, nel caso di diaframmi 11. La stazione Conca d Oro realizzata con il metodo bottom-up realizzati con la benna. La capacità dell utensile di fresare lateralmente il calcestruzzo dei pannelli primari adiacenti già gettati, consente di realizzare un adeguata sovrapposizione tra pannelli primari e secondari e una ripresa di getto con calcestruzzo contro calcestruzzo. Condizione necessaria per la formazione del giunto fresato è che la dimensione della lingua di terreno non scavato tra due pannelli primari adiacenti sia minore della dimensione del corpo fresante. In questo modo si assicura, con il pannello secondario intermedio, una giusta sovrapposizione che tenga conto delle deviazioni durante lo scavo. Il valore minimo consigliato di sovrapposizione è di circa 5 cm. Questo tipo di tecnologia risulta abbastanza onerosa sia in termini di costi sia in termini di movimentazione, poiché richiede rampe con pendenze contenute e ampi spazi. Una volta completata la cintura perimetrale e realizzato in tampone di fondo, con il metodo top-down si procede con la costruzione con il solettone di copertura in c.a. della stazione. Sul solettone di copertura vengono lasciate delle aperture per consentire lo scavo e la rimozione del terreno di scavo, introdurre attrezzature e materiale nonché, consentire il passaggio delle Maestranze. Con il metodo bottom-up invece, dal piano campagna è previsto direttamente l avvio dello scavo e la posa di diversi livelli di puntoni metallici provvisori. Arrivati a fondo scavo e costruito il solettone di fondo, le strutture interne definitive, sia orizzontali (solai) che verticali (fodere), saranno realizzate in risalita, dopo avere posato l impermeabilizzazione. I due metodi descritti, hanno trovato esplicazione nelle scelte operate per le due stazioni Libia e Conca d Oro, rispettivamente la più profonda e la più superficiale della Linea B STRADE & AUTOSTRADE 5

5 SCAVARE CON L IDROFRESA Diversamente dalle normali attrezzature per il movimento terra, le macchine per fondazioni speciali creano un problema all operatore: la parte più interessante del macchinario non è visibile. L idrofresa si trova sospesa a una fune (oppure a un traliccio di manovra rigido) e immersa nel fango bentonitico di stabilizzazione. Per l operatore ciò significa controllare le procedure come se fosse in un volo cieco. L efficienza della macchina e dell intero sistema dipende pertanto, dal controllo ottimale di tutti i parametri che sono coinvolti nel processo produttivo. Le idrofrese vengono equipaggiate con un sistema elettronico in grado di controllare, monitorare e visualizzare tutti i processi operativi associati allo scavo di un diaframma. L operatore può in ogni momento interrogare differenti livelli di interfaccia per verificare lo stato corrente di ogni componente, sensore o attuatore. Durante l operazione di scavo, tutti i parametri operazionali quali la profondità, le pressioni idrauliche e la velocità di rotazione, sono monitorate in continuo. I parametri di accuratezza oggigiorno raggiungibili con un idrofresa sono i seguenti: diaframmi standard: deviazione da 0,3 a 0,5%; progetti speciali (quali dighe o pozzi): deviazione da 0,2 a 0,3%; utilizzo del sistema di controllo tipo B-Tronic, unitamente ad un operazione di fresatura estremamente sensibile: deviazione dallo 0,1 allo 0,2%; utilizzo del sistema tipo B-Tronic in combinazione a sistemi esterni ad ultrasuoni (tipo Koden): deviazioni < 0,1%. 12. La banchina della stazione Conca d Oro TIPOLOGIA E COMPLETAMENTO DELLE STAZIONI Le stazioni della Linea C e B, pur diverse le une dalle altre, possono essere ricondotte sostanzialmente a due tipologie principali: stazioni eseguite interamente tra diaframmi (atrio, discenderie e banchine); stazioni eseguite parzialmente tra diaframmi (atrio, discenderie) e con due gallerie gemelle di banchina realizzate a foro cieco con scavo semimeccanizzato. Completato lo scavo delle gallerie colleganti le diverse stazioni è iniziato, nelle stazioni, la realizzazione degli impianti, degli ascensori e scale mobili, delle pavimentazioni e più in generale di tutte le opere di finitura compresa la cartellonistica. (1) Ingegnere esperto in tecniche avanzate di scavo in sotterraneo I CEDIMENTI GENERATI DAGLI SCAVI La realizzazione delle stazioni e delle gallerie della metropolitana, produce inevitabilmente un alterazione dello stato tensionale e deformativo del terreno. L effetto si risente al livello del piano campagna in modo tanto più sensibile quanto più superficiali sono le gallerie stesse: lo scavo e le modalità con cui esso viene effettuato, producono lo sviluppo di cedimenti che si propagano anche a grandi distanze e possono avere un impatto a volte anche catastrofico con l ambiente urbano. La valutazione dell impatto della costruzione delle stazioni e delle gallerie sulle strutture e/o sulle reti di servizi sovrastanti rappresenta, quindi, un passo cruciale del percorso progettuale. È fondamentale la valutazione dei potenziali danni indotti in modo da prevedere, con una mirata azione di monitoraggio, adeguati interventi di mitigazione e salvaguardia. Oggi è possibile ricorrere a soluzioni innovative di miglioramento e rinforzo dei terreni in termini di caratteristiche meccaniche: stiamo parlando del pre-consolidamento. Bibliografia [1]. M. Chiarelli - L Arte del costruire gallerie, Editrice Uni Service, Trento, [2]. M. Chiarelli - Tunnel realizzati con TBM-EPB, Strade & Autostrade n 114, EDI-CEM Srl, Milano. [3]. M. Chiarelli - Interazione tra gallerie metro e scavi profondi: metodo smartgde, Strade & Autostrade n 108, EDI-CEM Srl, Milano. [4]. M. Chiarelli - La costruzione di gallerie in ambiente urbano, Ingenio n 28 e dossier di Geotecnica del 14 Novembre 2014, Imready Srl, RSM. [5]. M. Chiarelli - Jet Grouting: campi di applicazione e impiego come opera di sostegno, Ingenio n 26, Imready Srl, RSM. [6]. M. Chiarelli - La realizzazione di gallerie in formazioni geologicamente complesse, Ingenio n 36 del 30 Settembre 2015, Imready Srl, RSM. [7]. M. Chiarelli - Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, Microtunnelling e Horizontal Directional Drilling, INGE- NIO n 17, Imready Srl, RSM. [8]. 6 STRADE & AUTOSTRADE