Il congelamento. nella metropolitana di Roma Diego Delli Carri*, Roberto Fiore*, Andrea Sciotti** La differenza tra la rete della metropolitana

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1 suolo suolo & sottosuolo & sottosuolo Il congelamento nella metropolitana di Roma Diego Delli Carri*, Roberto Fiore*, Andrea Sciotti** La differenza tra la rete della metropolitana di Roma e quella delle altre grandi capitali europee è evidente e significativa. Al fine di recuperare tale gap Roma Capitale ha avviato un importante programma di sviluppo della rete, affidando a Roma Metropolitane Srl tutte le funzioni finalizzate all attuazione degli interventi in esso previsti. Alla fine di tale programma la città sarebbe dotata di quattro linee di metropolitana, con una estensione complessiva della rete superiore ai 100 km (contro gli attuali 36.5 km). Ad oggi sono in corso i lavori di realizzazione della nuova linea C (prime tratte aperte a metà 2012) e della Linea B1 (prima tratta fino a Conca d Oro in esercizio nei prossimi mesi), è stata appena aggiudicata la Concessione per la realizzazione del Prolungamento della Linea B fino al GRA, sono in fase di definizione le procedure per il project financing per la realizzazione della Linea D. La presenza di terreni eterogenei con scarse caratteristiche geomeccaniche e di importanti acquiferi più o meno confinati, ed un Il congelamento dei terreni nell ambito della realizzazione della nuova linea metropolitana B1 di Roma, quale intervento di pre-consolidamento ed impermeabilizzazione al contorno del cavo: il progetto, la realizzazione, la verifica e le problematiche affrontate *Geologo Roma Metropolitane S.r.l. - Direzione Lavori Linea B1 - Ufficio Geotecnica e Monitoraggio **Ingegnere - Roma Metropolitane S.r.l. - Direttore dei Lavori Linea B1 quarry & construction 49

2 complesso urbano fitto ed intricato come quello attuale della città, impongono, per la realizzazione in sicurezza delle opere connesse alle nuove infrastrutture (stazioni, pozzi, gallerie), un accurata progettazione ed una scelta ponderata tra le migliori tecnologie esecutive e costruttive disponibili. Nell ambito della nuova Linea B1, per realizzare i cunicoli di collegamento tra le due gallerie di linea - molto profonde - ed un Pozzo di ventilazione di intertratta (PI30) - ubicato a soli 30 metri dalla sponda sinistra del fiume Aniene - si è scelto di utilizzare la tecnica del congelamento artificiale dei terreni mediante azoto liquido quale intervento di pre-consolidamento ed impermeabilizzazione al contorno del cavo. L articolo illustra le fasi progettuali e realizzative, il sistema di monitoraggio utilizzato per la verifica in corso d opera del processo di congelamento del terreno e le problematiche affrontate. Introduzione Il congelamento dei terreni è stato utilizzato per la prima volta in Italia nel 1937, per il recupero dell Ara Pacis Augustae a Roma. Fra le più recenti applicazioni, invece, si possono citare gli interventi per lo scavo di alcune stazioni della Linea 1 della Metropolitana di Napoli. Ad oggi esistono due differenti processi di congelamento dei terreni - entrambi valide alternative alle più note tecniche di consolidamento - che differiscono tra loro per il liquido refrigerante utilizzato: salamoia e/o azoto. Nel primo caso un impianto industriale abbatte la temperatura di una soluzione di cloruro di calcio (salamoia), fino a circa -30 C. Il liquido così refrigerato viene immesso in una rete di sonde congelatrici realizzata nel terreno, per poi tornare all impianto (circuito chiuso). Il congelamento mediante azoto, invece, prevede l immissione diretta nel circuito refrigerante di azoto liquido, precedentemente stoccato in appositi silos a circa -196 C. L azoto viene introdotto in un analogo sistema di sonde congelatrici inserite nel terreno ed evapora durante il suo percorso, estraendo calore al terreno in virtù sia del delta di temperatura tra azoto e terreno da congelare, sia del passaggio di stato liquido-gas; viene poi rilasciato in atmosfera a temperature tra -120 e -60 C (circuito aperto). Il metodo a salamoia, a parte il costo di Figura 1 - Schema impianto di congelamento partenza dell impianto, prevede oneri di gestione decisamente bassi, ma richiede maggiori tempi per ottenere il congelamento del terreno richiesto. Tale tecnica viene così preferita per il congelamento di grandi volumi di terreno, quando non vi sono problemi di tempo. Il metodo ad azoto è generalmente più costoso ma risulta più rapido ed efficace, soprattutto in terreni con falda in movimento ove la velocità nel raggiungere il congelamento richiesto è essenziale. Per il caso in esame si è scelto di utilizzare il processo di congelamento con azoto, schematizzato in fig. 1. Inquadramento generale La tratta della Linea B1, di prossima apertura all esercizio, attraversa il settore nordorientale della città, da Piazza Bologna a Montesacro, per uno sviluppo di circa 4 km interamente in sotterraneo. Le caratteristiche principali della nuova Linea B1 sono le seguenti: tre nuove stazioni (Annibaliano/S.Agnese, Libia e Conca d Oro), tre pozzi intertratta e due gallerie di linea gemelle a singolo binario. Per minimizzare l impatto in superficie e sugli strati archeologici le gallerie sono state ubicate a circa m di profondità dal piano campagna. Ciò ha comportato la necessità di realizzare tutte le nuove strutture tenendo in debita considerazione gli elevati battenti idraulici derivanti dalla presenza di una falda idrica superficiale - con pelo libero generalmente a pochi metri al di sotto del piano campagna - e le scadenti ca- Figura 2 - Planimetria di tracciato 50 quarry & construction

3 suolo & sottosuolo Figura 3 - Schema pozzo-cunicoli li rende sede di un apprezzabile circolazione idrica sotterranea, fortemente soggetta anche al regime idraulico del fiume Aniene. ratteristiche geotecniche dei terreni interessati. Conseguentemente sono state adottate metodologie realizzative adeguate alle suddette condizioni, quali ad esempio scavi a cielo aperto tra paratie e con tampone di fondo, e realizzazione delle gallerie mediante due TBM di tipo E.P.B. (a pressione bilanciata del fronte). In particolare, nel presente articolo viene illustrato l intervento di congelamento del terreno (con utilizzo di azoto liquido) effettuato ai fini delle attività di scavo e realizzazione dei cunicoli di collegamento tra il pozzo di ventilazione di intertratta PI30 e le due gallerie di linea (pari e dispari). Tale pozzo è ubicato tra le stazioni Conca d Oro e Libia, in prossimità della sponda sinistra dell Aniene, in una tratta in cui le due gallerie di linea corrono molto profonde (scelta progettuale dettata dalla necessità di avere un franco di sicurezza rispetto al sotto-attraversamento del fiume Aniene). I cunicoli di collegamento si trovano quindi rispettivamente ad una profondità di 33 (binario dispari ) e di 40 (binario pari) metri da p.c., in depositi a prevalente composizione ghiaiosa in matrice sabbiosa argillosa, con intercalazione di lenti sabbiose argillose, e sotto un battente idraulico (a quota arco rovescio) rispettivamente di 24 m (binario dispari) e di 30 m (binario pari). Con una sezione di scavo di 5,5x4,8 metri ed una lunghezza complessiva di circa 10 metri, i due cunicoli sono stati realizzati mediante scavo in tradizionale - con ausilio di centine, rete elettrosaldata e spritz beton a sostegno provvisorio - opportunamente protetto da un guscio di terreno congelato al contorno del profilo di scavo. Inquadramento geotecnico e campi prova I cunicoli attraversano depositi di origine fluvio-lacustre e fluvio-palustre (Unità del Paleotevere 2, Pleistocene medio) distinti in un complesso superiore (PL2L) costituito da limi e sabbie gialle con concrezioni travertinose e frequenti livelli diatomitici, argillosi e ghiaiosi ed un complesso inferiore (PL2G) costituito da argille e limi argillosi con livelli, anche di notevole spessore, di ghiaie poligeniche con sabbia. La caratterizzazione geotecnica dei suddetti litotipi (tabella 1) è stata ricavata da una zonizzazione di dettaglio per tratte comprese tra le due stazioni a ridosso del pozzo in questione. I suddetti terreni possiedono una permeabilità media, ricavata da prove Lefranc, dell ordine di 6.0X10-4 cm/sec che Tabella 1 Caratterizzazione geotecnica dei terreni Perché congelare? La scelta di adottare la tecnica del congelamento per tale intervento è scaturita dall analisi degli esiti di un campo prova recentemente condotto in prossimità dell area di intervento, nel quale si è testata l efficacia di un intervento di consolidamento dei terreni in questione mediante l iniezione selettiva in pressione di miscele cementizie e chimiche. Da tale campo prova è emersa la difficoltà nel garantire tenuta idraulica ed omogeneità al volume di terreno da consolidare previsto in progetto come necessario al fine di garantire le adeguate condizioni di stabilità e di idrostaticità durante la fase realizzativa dei cunicoli. Ciò probabilmente conseguente all elevata disomogeneità intrinseca dei terreni da trattare ed alle caratteristiche dell acquifero interessato (forti gradienti, elevate portate, reticolo di flusso disomogeneo). Non si è quindi ritenuto possibile accettare i rischi correlati ad un intervento non efficace, soprattutto in quanto una venuta d acqua con portata non gestibile nel breve termine avrebbe portato al parziale o completo allagamento dei vari ambienti della linea già completati (stazioni, pozzi e gallerie). Si è quindi deciso di ricorrere al congelamento del terreno perché in grado di garantire le prestazioni di progetto a fronte di un minor volume di terreno da trattare al contorno dello scavo ed una maggiore certezza dell omogeneità del trattamento (possibilità di controllo in corso d opera in tempo reale). Si è quindi proceduto all analisi ed al dimensionamento progettuale di tale intervento di congelamento, basandosi anche sui dati di prove già condotte in precedenza, nella fase quarry & construction 51

4 Figura 4 - Prospetto e pianta del cunicolo con posizionamento delle sonde congelatrici (1, 2, 3 ) e termometriche (A, B, C ) di sviluppo del progetto definitivo della Linea B1. Nell ambito di tale progetto - nel quale erano previsti diffusi interventi di congelamento - sono stati effettuati dei test di laboratorio su campioni di terreno prelevati in sito, con lo scopo ultimo di caratterizzare il comportamento dei terreni durante e dopo il congelamento. Tali campioni sono stati infatti sottoposti a congelamento fino alla temperatura di 20 C ed analizzati in laboratorio per valutare la variazione delle loro caratteristiche fisiche nel tempo al variare della temperatura (modulo di elasticità, coesione, tensione ammissibile e angolo d attrito, valutati a diversi intervalli di tempo: 6 ore, 1 giorno, 2 giorni, 1 settimana, 2 settimane e 6 settimane). Dai risultati ottenuti sono state valutate le condizioni minime da raggiungere (coesione) per garantire le prestazioni progettuali richieste. La modellazione numerica ha permesso infatti di stimare in -10 C la temperatura minima da raggiungere nel terreno per sviluppare un muro di ghiaccio, di spessore 1 metro, con caratteristiche di resistenza e deformabilità tali da consentire le operazioni di scavo in assoluta sicurezza. Analogamente è stata fissata a -2 C la temperatura minima da raggiungere per garantire la tenuta idraulica. Operazioni propedeutiche al congelamento Nel corso di definizione degli interventi e delle fasi operative da adottare durante la realizzazione dei cunicoli si è scelto, al fine di evitare l interruzione delle attività per il completamento delle gallerie di linea già realizzate, di utilizzare il pozzo PI30 come area operativa dalla quale realizzare le sonde congelatrici e lo scavo dei cunicoli. Sono stati quindi realizzati un sistema di blindaggio mediante centine metalliche ed un sistema di travi provvisorie, rispettivamente per garantire la stabilità delle gallerie nelle fasi di realizzazione del portale di innesto dei cunicoli e nelle fasi di smantellamento delle strutture provvisorie di sostegno (pali) perimetrali del pozzo, interferenti con l impronta dei cunicoli. Analogamente all interno delle gallerie è stato realizzato un sistema di placcaggio dei conci della galleria (tra giunti limitrofi) per evitare la disarticolazione degli stessi durante la demolizione del rivestimento di galleria in corrispondenza dell apertura dei cunicoli. Infine, è stato realizzato il circuito di congelamento, composto da 24 sonde congelatrici - a interasse 0,80 metri e lunghezza compresa tra 4,90 m e 8,40 m - e 6 sonde termometriche per il controllo delle temperature, installate tra le sonde congelatrici, dotate di termocoppie a passo 1 Figura 6 - Collegamento del collettore centrale alle singole sonde congelatrici Figura 5 - Silos e impianto di iniezione dell azoto 52 quarry & construction

5 suolo & sottosuolo Figura 7 - Fase realizzativa del sistema di congelamento per il cunicolo inferiore. Sulla sinistra sono visibili le sonde congelatrici già installate lungo l impronta del cunicolo superiore e i 2 tubi dreno (al centro) metro. L andamento delle perforazioni per l installazione delle suddette sonde, una volta realizzate dal pozzo verso le gallerie, è stato mappato topograficamente, al fine di ricostruire in sezione trasversale la distribuzione georeferenziata esatta delle sonde congelatrici e termometriche lungo l asse dei cunicoli. Questo ha permesso di stimare in fase progettuale - e successivamente monitorare in corso d opera - la distribuzione delle isoterme al contorno del fronte di scavo. Congelamento e scavo Una volta attivato l impianto, progettato con la necessaria flessibilità per poter governare la distribuzione delle frigorie in funzione di quanto rilevato attraverso le letture di temperatura, l azoto liquido ha iniziato a circolare ad una temperatura di -196 C lungo la rete di tubi che alimenta le sonde e che corre, a partire dall impianto di alimentazione, lungo il pozzo e fino ai cunicoli (fig. 5 e 6). è facilmente intuibile come, nonostante le tubazioni siano coibentate al fine di evitare la dispersione di frigorie utili, l ambiente nel pozzo divenga fortemente inospitale a causa del brusco abbassamento della temperatura. è stato quindi necessario prevedere una fase iniziale di congelamento, attiva fino al raggiungimento della temperatura di -10 C su tutto il perimetro del cavo, con assenza di lavorazioni e personale in loco, ed una successiva fase di mantenimento in cui alternare, nell arco delle 24 ore, fasi di scavo ad impianto fermo (diurne) e fasi di congelamento (notturne). Sulla base dei modelli progettuali, le suddette modalità operative avrebbero dovuto permettere la formazione del muro di ghiaccio in tempi brevi ed il mantenimento dello stesso durante l esecuzione dei lavori. In realtà, la presenza di un numero elevato di variabili, prime fra tutte la forte eterogeneità dei terreni e la possibile presenza di miscele chimiche e cementizie utilizzate per l intasamento a tergo dei pali per la realizzazione del pozzo, ha suggerito l applicazione anche di metodi diretti per la verifica della tenuta Figura 8 - Rivestimento provvisorio con centine, spritz beton e rete elettrosaldata. Sul fronte di scavo è ben distinguibile il terreno non congelato al centro del cunicolo dal terreno congelato al contorno idraulica del terreno congelato, anche durante le fasi di scavo. A tale scopo sono stati predisposti, per ogni cunicolo e per tutta la sua lunghezza, due fori di drenaggio, utili anche per scaricare eventuali sovrappressioni idrauliche che si sarebbero potute manifestare durante la fase di scavo. Lo scavo dei cunicoli è stato realizzato in tradizionale, con posa in opera di centine a passo 0,75 metri, rete elettrosaldata e spritz beton fibrorinforzato dello spessore di 20 centimetri a sostegno provvisorio del cavo, mentre per il contenimento provvisorio del fronte si è ricorsi ad uno strato di spritz beton fibrorinforzato dello spessore di 10 centimetri. Il rivestimento definitivo dell intero arco, con uno strato di geotessile ad alta tenacità e un telo in PVC, spessore 2 mm, per l impermeabilizzazione del cavo, è stato di volta in volta messo in opera a breve distanza dal fronte. Tali fasi di scavo e rivestimento hanno consentito di contenere lo sviluppo di preconvergenze e, quindi, limitare al massimo i fenomeni deformativi al contorno e, di conseguenza, in superficie. Solo al termine dello scavo di ognuno dei due cunicoli è stata eseguita la demolizione parziale dei conci di galleria interferenti e la realizzazione dell innesto cunicolo-galleria. Gli effetti indotti dalle la- quarry & construction 53

6 vorazioni sono stati costantemente osservati attraverso un fitto sistema di monitoraggio che, oltre ad una costante analisi termica del processo di congelamento sia in fase di congelamento che in fase di mantenimento, ha consentito il controllo tenso-deformativo del cunicolo in fase di scavo. In particolare sono stati utilizzati barrette estensimetriche sulle centine; mire ottiche per il controllo topografico delle convergenze; inclinometri, assestimetri multibase, piezometri Casagrande e capisaldi a piano campagna per un controllo degli effetti indotti al contorno; livellazione topografica sulle preesistenze (fabbricati). è stato inoltre predisposto un sistema di sensori termometrici ubicati nell intradosso delle gallerie lungo l impronta perimetrale del futuro innesto cunicolo-galleria, operazione considerata tra le più delicate di tutto l intervento. Tali sensori termometrici hanno permesso di verificare sia l avvenuto contatto tra terreno congelato e gallerie, sia l effettiva compenetrazione delle colonne di ghiaccio lungo il perimetro dell intero anello di congelamento in prossimità delle gallerie. Figura 9 - Terminali sistema di monitoraggio Fasi realizzative - Imprevisti e soluzioni Il primo cunicolo ad essere realizzato è il più profondo, a circa 40 metri dal piano campagna. La fase di congelamento è stata completata in dieci giorni, quando tutte le sonde termometriche hanno Figura 12 - Scavo del piedritto del cunicolo Figura 13 - Cunicolo ultimato. Sono ancora presenti le pipette predisposte per effettuare iniezioni di miscele chimiche, cementizie o bicomponente a ripristino di eventuali infiltrazioni successive alla fase di scongelamento registrato temperature prossime ai -10 C. Per tale fase sono stati impiegati circa 35 mc azoto/giorno. Dall attivazione della fase di mantenimento, il cunicolo è stato ultimato dopo soli quarantasei giorni, senza alcuna problematica o valori rilevanti registrati dalla strumentazione di monitoraggio. Per tale fase sono stati impiegati circa mc azoto/giorno. è da evidenziare anche la scelta di utilizzare cls opportunamente additivati al fine Figura 10 - Modello delle temperature registrate all intradosso della galleria inferiore al Figura 11 - Modello delle temperature registrate all intradosso della galleria inferiore al quarry & construction

7 di garantire una normale maturazione del calcestruzzo dei rivestimenti definitivi dei cunicoli a -10 C ed alla scelta di materiali impermeabilizzanti (telo in PVC e geotessile) ad alta tenacità, applicabili in contesti con range di temperature anomali rispetto alle applicazioni classiche. La realizzazione del cunicolo più superficiale, a 33 metri dal piano campagna, avviata solo al termine della sigillatura del cunicolo più profondo, è risultata decisamente più complessa e ricca di imprevisti. In venti giorni la fase di congelamento ha fatto registrare temperature comprese tra -10 e -20 C su tutte le sonde termometriche, ad eccezione della sonda F, installata in corrispondenza della base del piedritto destro del cunicolo, che continuava a registrare, in fase di congelamento, temperature superiori a 0 C. Per evitare che, visto il perdurare della fase di congelamento, si venisse a creare uno spessore elevato di guscio di ghiaccio al contorno dello scavo (potenzialmente dannoso ai fini dei rischi correlati alla fase di scongelamento), l impianto è stato gestito in modo da mantenere costanti le temperature raggiunte sull intero arco, tentando di abbattere ulteriormente solo il settore F. Tale situazione è stata imputata ad una concomitanza di vari fattori. Infatti, la presenza nel terreno di livelli grossolani alternati ad orizzonti meno permeabili, di difficile individuazione in fase di indagini preliminari, vista la scala dell opera da realizzare, e suolo & sottosuolo Figura 14 - Sonde congelatrici molto vicine al cavo del cunicolo non incontrati nel corso della realizzazione del cunicolo più profondo, potrebbe avere settorializzato ambienti a differente conducibilità termica e rallentato il congelamento nei livelli più permeabili, costantemente lavati da un importante circolazione idrica di falda. Inoltre, la presenza di miscele cementizie e resine bicomponenti, iniettate durante la realizzazione del pozzo intertratta e miscelatesi con i terreni, potrebbe aver generato orizzonti con differenti caratteristiche di conducibilità termica e discontinuità nel muro Fig Dati registrati dalla sonda termometrica C correlati con attività di cantiere e fasi di congelamento Fig Dati registrati dalla sonda termometrica D correlati con attività di cantiere e fasi di congelamento quarry & construction 55

8 Fig Dati registrati dalla sonda termometrica F correlati con attività di cantiere e fasi di congelamento di ghiaccio. Comunque, viste le garanzie di tenuta idraulica date già al raggiungimento di -2 C, si è scelto di procedere con la fase di scavo al raggiungimento, alla sonda termometrica F, di valori prossimi a -5 C. Dopo soli tre metri di scavo si sono verificate, contestualmente ad un rapido innalzamento delle temperature nel settore interessato dalla sonda termometrica F, ingenti venute d acqua, stimabili intorno ai 10 l/s. Tale evento è imputabile ad un eccessiva vicinanza della sonda congelatrice al cavo del cunicolo (fig. 14), con conseguente rapida dispersione delle frigorie, accentuata dal calore prodotto dal processo di presa dello spritz beton utilizzato per il sostegno del cavo stesso. Le azioni di contrasto sono state l immediata ripresa a regime della fase di congelamento, il convogliamento delle venute d acqua mediante l installazione di tubi drenanti in asse longitudinale all arco rovescio e, ovviamente, la messa in sicurezza dell opera, consistita nell appesantimento dell arco rovescio tramite realizzazione di una soletta in calcestruzzo di altezza 1,5 metri dal pozzo fino al fronte di scavo, armata con rete elettrosaldata ed attrezzata con tubi per iniezioni longitudinali e trasversali. è stata inoltre predisposta un ulteriore sonda congelatrice in asse arco rovescio. Nonostante gli interventi effettuati, il prosieguo del flusso idrico e il mancato abbattimento delle temperature nel terreno hanno spinto l impresa ad effettuare, prima di intraprendere ulteriori azioni correttive, la messa in sicurezza dell intero cavo e del fronte mediante realizzazione di una parete in calcestruzzo armato con rete elettrosaldata di 0,4 metri per il cavo e 1,2 metri per il fronte; successive iniezioni cementizie lungo tutto l arco hanno permesso di ridurre la circolazione idrica a valori tali da rendere efficace la fase di congelamento sull intera sezione di scavo e permettere, quindi, il raggiungimento delle condizioni di progetto minime per riprendere lo scavo. Verificata la perfetta tenuta del cavo sono riprese le normali attività di scavo in fase di mantenimento ed il cunicolo è stato completato con successo. Per l intervento sono stati utilizzati circa mc di azoto, di cui circa mc per la fase di congelamento e mc per la fase di mantenimento. Si ringrazia l Impresa Appaltatrice per la realizzazione della Linea Metropolitana B1 di Roma, costituita dall A.T.I. Salini S.p.A. (Capogruppo e Mandataria) con Tecnimont Civil Construction S.p.A. (mandante) e I.C.O.P. (Mandante Cooptata) per lo spirito di collaborazione e l impegno dimostrato giornalmente, ingredienti fondamentali che ci consentono di andare oltre il nostro consueto lavoro, permettendoci di dar vita ad occasioni di confronto con chi, come noi, si trova a gestire progetti di ingegneria estrema. Si ringrazia inoltre il dott. Stefano Talone della Società Fondazioni Speciali S.p.A. per aver messo a disposizione parte della documentazione e dei dati utilizzati per il presente articolo. n Stazione Appaltante Impresa Roma Metropolitane S.r.l. A.T.I. Salini S.p.A. (Capogruppo e Mandataria) con Tecnimont Civil Construction S.p.A. (Mandante) e I.C.O.P. (Mandante Cooptata) Fondazioni Speciali S.p.A. Società esecutrice dell intervento di congelamento 56 quarry & construction