Le gallerie stradali sono elementi vitali di una rete di trasporto, rappresentando spesso la soluzione più appropriata per superare certe barriere spaziali e/o ambientali e soddisfare le esigenze di mobilità di merci e persone. Tuttavia, i catastrofici incendi avvenuti in alcune gallerie europee hanno generato, come è noto, molte preoccupazioni tra le Autorità competenti.
A tal riguardo, al fine di assicurare un livello minimo di sicurezza agli utenti delle gallerie, sia esistenti sia nuove, di lunghezza maggiore di 500 m appartenenti alla rete stradale transeuropea (TEN-T), fu emanata la Direttiva 2004/54/CE [1].
Con riferimento alle gallerie stradali esistenti, la Direttiva 2004/54/CE richiede una valutazione preliminare del livello di rischio considerando le misure di sicurezza presenti nella galleria e, quando i requisiti minimi raccomandati non sono soddisfatti, prescrive l’esecuzione di lavori di adeguamento per raggiungere lo scopo. In Italia, il Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti adottò la suddetta Direttiva nel 2006 [2].
Comunque, allo stato attuale, data l’alta densità di gallerie stradali presenti in Italia, una parte significativa di esse è ancora interessata da lavori programmati di adeguamento.
Recentemente sono state anche emanate le “Linee Guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza ed il monitoraggio delle gallerie esistenti” [3] che si applicano alle gallerie esistenti di lunghezza superiore o uguale a 200 m per almeno uno dei fornici quando il sistema galleria presenta carreggiate separate.
Tali Linee Guida hanno carattere complementare alla sopra menzionata norma relativa alla sicurezza antincendio delle gallerie stradali della rete transeuropea e illustrano una procedura sulla base della quale è possibile programmare l’adozione di interventi finalizzati a prevenire il raggiungimento di livelli inadeguati di danno.
L’esecuzione di lavori programmati in galleria, comunque, richiede solitamente la sua chiusura parziale o completa al traffico per giorni, settimane o mesi, con possibili conseguenze negative anche per la circolazione dei veicoli che viaggiano sulla rete stradale adiacente di cui la galleria in oggetto rappresenta un ramo o una parte di esso.
Pertanto, l’identificazione di strategie atte a contenere la perdita di funzionalità di una galleria stradale interessata da lavori programmati, considerando anche la presenza di percorsi alternativi, è una problematica di significativo interesse. Un sistema che reagisce in modo adattivo a una perturbazione (ad esempio, lavori in galleria) è spesso definito resiliente.
Estendendo la definizione a una rete stradale, la resilienza può essere descritta come la capacità della rete di recuperare rapidamente la propria funzionalità dopo il verificarsi di un evento di disturbo su uno dei suoi rami oppure in una galleria ad essa appartenente [4, 5, 6, 7 e 8].
In genere, le metriche utilizzate per esprimere la resilienza di una rete stradale sono legate ai parametri della circolazione quali soprattutto il tempo di ritardo, la densità veicolare, la lunghezza della coda, il livello di congestione del traffico, la perdita di capacità, ecc..
Tuttavia, per quanto gli autori sono a conoscenza, la velocità media di viaggio dei veicoli è stata scarsamente utilizzata nelle analisi di resilienza. Inoltre, il profilo spaziale della velocità del flusso veicolare a monte e a valle della galleria interessata da un evento di disturbo, così come all’interno della galleria stessa nel caso in cui essa sia parzialmente chiusa per lavori, non risulta essere stato ancora sufficientemente investigato.
Pertanto, lo scopo del presente articolo è quello di mostrare i risultati di uno studio che può contribuire a incrementare il livello di conoscenza nel campo della resilienza delle gallerie stradali usando la velocità media di viaggio come metrica di funzionalità e il suo profilo spaziale come ulteriore strumento di supporto nella scelta della più appropriata strategia di recupero della funzionalità della galleria e di conseguenza della rete stradale che la contiene.
Per indirizzare le considerazioni sopra esposte, è stato sviluppato un modello di macro-simulazione del traffico, e considerando la velocità media di viaggio come metrica, è stata valutata la resilienza di una galleria autostradale esistente a doppio fornice nel caso in cui uno dei due fornici fosse interessato da lavori programmati (maggiori dettagli sull’utilizzo di una modellizzazione di simulazione del traffico, in cui però la velocità media di viaggio non è utilizzata come metrica, possono essere trovati in [6]).
Descrizione della galleria autostradale a doppio fornice e dell’area di studio investigata
La galleria esistente a doppio fornice oggetto del presente studio è situata lungo un tratto autostradale della rete stradale italiana. La galleria è costituita da due fornici rettilinei e lunghi poco meno di 1 km. Ciascun fornice è a due corsie per senso di marcia utilizzate, in condizioni ordinarie, per traffico unidirezionale.
Si è ipotizzato che uno dei due fornici (per esempio, quello Nord riportato in rosso in Figura 2) fosse interessato da lavori programmati di adeguamento e/o manutenzione e di conseguenza rimanesse parzialmente (una sola corsia rimane aperta al traffico) o completamente chiuso al traffico (su entrambe le corsie non è consentito il transito).
Poiché la chiusura parziale o completa del fornice Nord potrebbe arrecare disturbo anche ai veicoli sulla rete stradale ordinaria adiacente (soprattutto se uno o più rami della stessa fosse utilizzato come itinerario alternativo utilizzando i due svincoli autostradali presenti a monte e a valle del sistema galleria), è stata preliminarmente definita l’area di studio all’interno della quale il traffico potrebbe risentire delle perturbazioni causate dai lavori programmati nel fornice Nord.
Tale area è stata individuata sulla base dello sviluppo di un modello di macro-simulazione del traffico [6], risultando lunga 25 km e larga 8 km. La Figura 2 mostra una piccola parte della suddetta area di studio, comprendente:
- il tratto autostradale A-C contenente la carreggiata Nord e quindi il fornice ipotizzato parzialmente o completamente chiuso a causa di lavori programmati;
- il tratto autostradale C-A contenente la carreggiata Sud e quindi il fornice non interessato dai lavori, ma che potrebbe essere utilizzato per traffico bidirezionale attraverso l’attivazione dei due by-pass situati ai portali nel caso della chiusura completa del fornice Nord;
- il percorso alternativo (B, E, I, L, C) che, grazie agli svincoli autostradali B e C, potrebbe essere utilizzato dai veicoli diretti a Nord quando il fornice Nord fosse parzialmente o completamente chiuso.
Il livello di funzionalità (F) in funzione del tempo (t)
Il livello di funzionalità (F) del sistema galleria oggetto di studio è stato ipotizzato essere F0 = 100% fino al tempo t = t0, cioè in assenza di lavori all’interno di uno dei due fornici. Poi, all’inizio dei lavori programmati al tempo t = t0 con la conseguente chiusura parziale o completa del fornice Nord, si è assunto che il livello di funzionalità diminuisca istantaneamente e raggiunga il valore Fa < F0.
Quindi, F rimane costante e pari a Fa durante l’intero periodo di tempo tr – t0 della durata dei lavori programmati. In particolare, il tempo tr identifica l’istante in cui terminano i lavori nel fornice Nord e inizia il processo di recupero della funzionalità.
Quindi, per t > tr, F aumenta fino a raggiungere il suo valore iniziale F0 = 100% al tempo t = th (cioè, th – tr è il tempo necessario per il completo recupero della funzionalità del sistema galleria). Una rappresentazione grafica della curva di funzionalità (F) nel tempo (t) è riporta in [6, 7, 8 e 9].
Sulla base dell’andamento del menzionato livello di funzionalità (F) in funzione del tempo (t), e in accordo con la letteratura, si sono definiti i seguenti parametri:
intesa come la perdita di resilienza;
rappresentante la velocità di recupero della funzionalità;
indicante l’indice di resilienza.
Gli scenari analizzati
Si è ipotizzato che il fornice Nord rimanesse parzialmente o completamente chiuso al traffico per lavori programmati della durata giornaliera di sei ore. Al fine di considerare la situazione peggiore, si è considerato che l’orario di inizio dei lavori coincidesse con quello di inizio del traffico di punta al mattino; quindi, si è assunto che i lavori iniziassero alle ore 7:00 e finissero alle ore 13:00.
Gli scenari analizzati sono:
- scenario 0 in assenza di lavori nel fornice Nord; quindi, entrambi i fornici sono utilizzati per traffico unidirezionale e la velocità massima consentita è 130 km/ora per le autovetture e 100 km/ora per i veicoli pesanti (massa ≥ 3,5 t);
- scenario 1 dove il fornice Nord è parzialmente chiuso (rimaneaperta solo una corsia) a causa dei lavori; il limite di velocità imposto al portale d’ingresso del fornice Nord è 60 km/ora;
- scenario 2 in cui, a causa della chiusura completa del forniceNord (entrambe le corsie sono chiuse), il fornice della carreggiata Sud è utilizzato per traffico bidirezionale mediante l’attivazione dei due by-pass ai portali che sono aperti contemporaneamente con l’inizio dei lavori (7:00); il limite di velocità di 60 km/ora è imposto anche al portale d’ingresso del fornice utilizzato dai veicoli diretti a Sud;
- scenario 3, che differisce dallo scenario 1 per l’attivazione del percorso alternativo per i soli veicoli pesanti diretti a Nord, raccomandato dalla segnaletica a messaggio variabile (VMSs) ubicata prima dello svincolo autostradale B;
- scenario 4, che differisce dallo scenario 2 per la deviazione, tramite i VMSs, dei soli mezzi pesanti diretti a Nord lungo l’itinerario alternativo;
- scenario 5 dove il fornice Nord è parzialmente chiuso con la sua restante corsia aperta utilizzata dai soli mezzi pesanti diretti a Nord, mentre le autovetture che viaggiano verso Nord utilizzano il fornice della carreggiata adiacente riorganizzato per traffico bidirezionale (non disponibilità del percorso alternativo).
L’approccio metodologico
Il modello di macro-simulazione del traffico sviluppato è stato innanzitutto calibrato sulla base dei rilievi di traffico censiti dagli Enti Gestori delle strade che ricadono all’interno dell’area di studio investigata, trovando che il GEH statistic era ≤ 5 per tutti i rami della rete considerata.
Esso è stato poi validato nelle sue capacità predittive mediante un confronto con la lunghezza della coda misurata in sito dopo un incidente realmente avvenuto nel fornice Nord. Dimostrata l’affidabilità del modello, con riferimento agli interventi programmati nel fornice Nord, si è assunto un periodo di analisi nelle simulazioni da traffico maggiore di quello relativo alla stretta durata dei lavori stessi.
Esso è iniziato un’ora prima (6:00) per simulare la rete stradale già caricata dai veicoli quando iniziano i lavori (7:00) ed è terminato alle ore 16:00 per analizzare il processo di recupero della funzionalità della rete fino a tre ore dopo la fine dei lavori stessi (13:00).
I risultati sono stati espressi in termini di velocità media di viaggio dei veicoli transitanti in direzione Nord; quindi, sono stati costruiti i corrispondenti profili spaziali. Successivamente, sono state costruite le curve di funzionalità nel tempo ed è stato calcolato il sopra menzionato indice di resilienza 
per individuare la strategia di recupero della funzionalità più appropriata tra quelle esaminate.
L’analisi della velocità media di viaggio
La velocità di viaggio dei veicoli diretti verso Nord, mediata sul periodo di tempo di sei ore durante il quale sono previsti gli interventi di adeguamento e/o manutenzione nel fornice Nord con la sua chiusura parziale o completa, è stata utilizzata come parametro di definizione della funzionalità del sistema.
La Figura 3 sopra mostra i profili spaziali della velocità media di viaggio dei veicoli lungo il tratto autostradale A-C. È possibile notare che, in assenza di lavori nel fornice Nord (scenario 0), il flusso veicolare in direzione Nord ha una velocità media di viaggio costante di circa 120 km/ora (media pesata della velocità delle auto e dei mezzi pesanti).
Con la chiusura parziale del fornice Nord (scenario 1), si nota una minore riduzione della velocità media di viaggio dei veicoli rispetto a quella corrispondente alla chiusura completa (scenario 2). Inoltre, nel caso di chiusura parziale rispetto a quella completa, la suddetta velocità media di 120 km/ora inizia a diminuire ad una distanza minore dal portale di ingresso del fornice Nord (6 km contro 6,7 km).
In entrambi i casi, in corrispondenza del portale di ingresso del fornice Nord, si registra una velocità media di viaggio il cui valore è inferiore al limite di velocità imposto (60 km/ora); tuttavia, tale riduzione è maggiore nello scenario 2.
Relativamente allo scenario 1, si osserva anche che a valle del portale di ingresso del fornice Nord i veicoli accelerano nel fornice usando la corsia che rimane ancora aperta al transito, ma la loro velocità media di viaggio al portale di uscita non raggiunge ancora i 60 km/ora. La stessa cosa accade nello scenario 2 dove i veicoli diretti a Nord utilizzano il fornice adiacente della carreggiata sud per proseguire la loro marcia.
Nello scenario 1, a valle del portale di uscita del fornice Nord, i veicoli accelerano potendo utilizzare entrambe le corsie e raggiungono la velocità media di viaggio di 120 km/ora dopo 4 km dal menzionato portale.
Nello scenario 2, invece, i veicoli rientrati sulla carreggiata Nord raggiungono la velocità media di viaggio di 120 km/ora ad una distanza maggiore pari a 4,4 km. È da sottolineare che, a parte la differenza riscontrata tra gli scenari 1 e 2, i loro profili spaziali della velocità media di viaggio non sono simmetrici rispetto al fornice; infatti, i veicoli a valle del portale di uscita del fornice Nord accelerano più di quanto essi sono costretti a decelerare a monte del portale di ingresso dello stesso fornice.
La Figura 3 mostra anche che l’uso della segnaletica a messaggio variabile, utilizzata per deviare i soli veicoli pesanti diretti a Nord lungo il percorso alternativo della viabilità ordinaria, nel caso della chiusura sia parziale (scenario 3) sia completa (scenario 4) del fornice Nord, ha un impatto positivo nel contenere la riduzione della velocità media di viaggio dei veicoli che percorrono il tratto autostradale in direzione Nord.
Inoltre, si rappresenta che a valle del portale di uscita, contrariamente a quanto accade a monte del fornice Nord, la velocità media di viaggio dei veicoli sulla carreggiata Nord può raggiungere anche i 130 km/ora perché trattasi di sole autovetture.
La Figura 3, nel caso di chiusura parziale del fornice Nord e contemporanea indisponibilità di un percorso alternativo della viabilità ordinaria, con i soli veicoli pesanti che utilizzano l’unica corsia aperta del fornice Nord e le autovetture che impiegano, invece, il fornice adiacente riorganizzato per traffico bidirezionale (scenario 5), mostra valori intermedi della riduzione della velocità media di viaggio dei veicoli.
L’analisi di funzionalità e perdita di resilienza
La riduzione del livello di funzionalità del sistema galleria, durante la chiusura parziale o completa del fornice Nord, è stata calcolata come rapporto tra la velocità media di viaggio dei veicoli lungo il tratto autostradale A-C (cioè diretti a Nord) dopo e prima dell’inizio dei lavori programmati nel fornice menzionato.
La Figura 4 mostra la curva di funzionalità (F) nel tempo del sistema galleria per i diversi scenari considerati. A tal riguardo, con riferimento allo scenario i-esimo con i che va da 1 a 5, si rappresenta che la perdita di resilienza coincide con l’area del trapezoide delimitato dalla curva di funzionalità F0 = 100%, dal lato F0 – Fa,i che indica la riduzione del livello di funzionalità all’istante di tempo t = t0 quando iniziano i lavori, dal lato tr – t0 che rappresenta il periodo di tempo durante il quale sono previsti i lavori e in cui Fa,i = costante, e dal lato inclinato th,i – tr che è il tempo necessario per il completo recupero della funzionalità del sistema galleria (F0 = 100%) dopo il termine dei lavori all’istante di tempo t = tr.
Dalla Figura 4 si osserva che la perdita di resilienza è minore nel caso di chiusura parziale del fornice Nord rispetto a quella completa (scenario 1 vs scenario 2). Inoltre, si nota che l’uso della segnaletica a messaggio variabile per deviare i soli mezzi pesanti lungo l’itinerario alternativo consente di ridurre ulteriormente la perdita di resilienza (scenario 3 vs scenario 1, scenario 4 vs scenario 2).
Infine, la Figura 4, nel caso di chiusura parziale del fornice Nord e contemporanea indisponibilità di un percorso alternativo con i soli veicoli pesanti che utilizzano la corsia che rimane aperta del fornice Nord e con le autovetture che impiegano il fornice adiacente riorganizzato per traffico bidirezionale (scenario 5), mostra valori intermedi della perdita di resilienza.
La Figura 4 mostra anche che le velocità di recupero della funzionalità (cioè la pendenza del lato del trapezio tra th,i e tr) sono risultate essere simili per tutti gli scenari analizzati (tratti inclinati paralleli tra di loro).
L’indice di resilienza
Per rappresentare la resilienza del sistema galleria con un parametro che varia tra 0 e 1, è stato utilizzato l’indice di resilienza innanzi definito. Si ricorda che al crescere dell’indice di resilienza diminuisce la perdita di resilienza.
La Figura 5 mostra l’indice di resilienza calcolato per ogni scenario esaminato. Si può notare che gli indici di resilienza più elevati sono associati alla chiusura parziale del fornice Nord piuttosto che a quella completa. Inoltre, l’uso della segnaletica a messaggio variabile per deviare i mezzi pesanti lungo il percorso alternativo migliora la resilienza del sistema galleria.
Infine, quando il fornice Nord è parzialmente chiuso e un itinerario alternativo non è disponibile, l’indice di resilienza associato alla strategia di gestione del traffico che consiste nel deviare le autovetture dirette a Nord lungo una corsia del fornice adiacente riorganizzato per traffico bidirezionale, consentendo al contempo ai mezzi pesanti di continuare a viaggiare utilizzando la restante corsia aperta del fornice Nord, assume un valore intermedio tra gli scenari analizzati.
Pertanto, anche i risultati in termini di indice di resilienza confermano quanto trovato in termini di perdita di resilienza e velocità media di viaggio.
Conclusioni e futuri sviluppi della ricerca
I risultati hanno evidenziato che la perdita di resilienza più elevata corrisponde alla chiusura completa piuttosto che a quella parziale del fornice interessato da lavori programmati di adeguamento antincendio e/o di manutenzione per prevenire il raggiungimento di inadeguati livelli di danno.
Inoltre, l’implementazione di strategie di controllo del traffico basate sull’uso della segnaletica a messaggio variabile consente di incrementare i benefici in termini di riduzione della perdita di resilienza del sistema galleria.
Sebbene questo studio, con l’utilizzo della velocità media di viaggio come metrica e il suo profilo spaziale incrementi la conoscenza in merito alla resilienza delle gallerie stradali interessate da lavori programmati, vi sono ancora alcuni punti che andrebbero approfonditi.
Ad esempio, poiché l’esposizione al rischio di incidenti stradali e/o incendi potrebbe aumentare con la durata della chiusura parziale o completa di un fornice, analisi congiunte di resilienza e sicurezza andrebbero sviluppate; in merito, i primi risultati sono riportati in [10 e 11].
Inoltre, le analisi delle incertezze e lo studio dell’interazione con altri tipi di sistemi di trasporto costituiscono ulteriori interessati spunti di ricerca.
Bibliografia
[1]. Direttiva 2004/54/CE del Parlamento Europeo e del Consiglio del 29 Aprile 2004 relativa ai requisiti minimi di sicurezza per le gallerie della rete stradale transeuropea pubblicata nella Gazzetta Ufficiale dell’Unione Europea L. 167 del 30 Aprile 2004.
[2]. Decreto Legislativo n° 264 del Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti del 5 Ottobre 2006 “Attuazione della Direttiva 2004/54/CE in materia di sicurezza per le gallerie della rete stradale transeuropea” pubblicato nella Gazzetta Ufficiale n° 235 del 9 Ottobre 2006 – Supplemento Ordinario n° 195.
[3]. Decreto Ministeriale n° 247 del Ministero delle Infrastrutture e della Mobilità Sostenibili del 1° Agosto 2022, Allegato 1: “Linee guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza ed il monitoraggio delle gallerie esistenti”.
[4]. D. Freckleton, K. Heaslip, W. Louisell, J. Collura – “Evaluation of resiliency of transportation networks after disasters”, Transportation Research Record 2284 (1), 109-116, 2012.
[5]. PIARC Literature Review – “Improving road tunnel resilience, considering safety and availability”, Technical Committee on Road Tunnels, The World Road Association, Paris, France, 2021.
[6]. C. Caliendo, I. Russo, G. Genovese – “Resilience assessment of a twin-tube motorway tunnel in the event of a traffic accident or fire in a tube, Applied Sciences 12 (1), 513, 2022.
[7]. C. Caliendo, I. Russo, G. Genovese – “A resilience analysis of a motorway tunnel affected by a traffic accident using the average vehicles’ speed as a metric”, International Journal of Civil Engineering, Under review, 2023.
[8]. C. Caliendo, I. Russo, G. Genovese – “Resilience analysis of road tunnels subject to refurbishment works”, Digital Transportation and Safety, Under review, 2023.
[9]. C. Caliendo, I. Russo, G. Genovese – “La valutazione della resilienza di una galleria stradale in caso di evento incidentale”, “Strade & Autostrade” n° 155 Settembre/Ottobre 2022.
[10]. C. Caliendo, I. Russo, G. Genovese – “A simultaneous analysis of the user safety and resilience of a twin-tube road tunnel”, Applied Sciences 12 (7), 3357, 2022.
[11]. C. Caliendo, I. Russo, G. Genovese – “A risk analysis in the event of a fire in a twin-tube road tunnel with considerations for resilience”, Roads and airports pavement surface characteristics, CRC Press, Taylor & Francis Group, p. 609-618, ISBN: 978-1-032-55149-4, doi:10.1201/9781003429258-59, 2023.
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