Tra il 1998 e il 2014, le Regioni Emilia Romagna e Toscana hanno emanato 45 Note Interregionali (NIR) su “Standard di sicurezza per la realizzazione delle Grandi Opere Infrastrutturali”. Questo coinvolge diverse gallerie di rilevanza per la rete di infrastrutture delle regioni in oggetto.
Le NIR sono costituite da 15 documenti che affrontano e risolvono altrettanti temi tecnici di notevole importanza per la progettazione e realizzazione di gallerie e da 30 aggiornamenti e revisioni dei temi [1].
Si tratta di 15 buone pratiche:
- emesse e adottate precorrendo, di circa un decennio, l’approccio ingegneristico “Prevention through Design” (PtD), introdotto nel 2007 dal National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) così: “One of the best ways to prevent and control occupational injuries, illnesses, and fatalities is to “design out” or minimize hazards and risks” [2];
- ideate, redatte ed approvate per superare l’obsolescenza delle norme vigenti [3], verificandone costantemente la validità, aggiornandole e integrandole o modificandole sulla base delle evidenze emergenti con la loro applicazione nelle numerose gallerie in costruzione nel periodo 1998-2014.
Si può affermare, senza tema di smentita, che per 16 anni le gallerie emiliano-romagnole e toscane sono state centro sperimentale di studi e ricerche (S&R) tecniche e scientifiche per lo sviluppo dell’ingegneria degli scavi di gallerie in condizioni di massima sicurezza.
Tra il 2013 e il 2016, il gruppo di lavoro “Grandi Opere” del “Coordinamento Tecnico Interregionale PSAL delle Regioni e delle Province Autonome” [4] ha redatto 15 Linee Guida (ai sensi del D.Lgs. 81/2008 e s.m.i., art. 2, lettera z) “Indicazioni per la progettazione e l’esecuzione in sicurezza di scavi in sotterraneo”, frutto della riedizione delle corrispondenti NIR, integrate con le corrispondenti Note di aggiornamenti e revisioni.
La NIR 28 [5], rappresenta, dal 2005, il riferimento ingegneristico indispensabile per salvaguardare l’integrità dell’opera e degli operatori durante la realizzazione con tecnica tradizionale di gallerie il cui tracciato attraversa geo-strutture che intrappolano serbatoi di metano [3].
Il testo della NIR 28, adottato nel 2013 dalla Regione Marche come Nota Tecnica [6] ed integrato nel 2014, con aggiornamenti normativi (nazionali ed europei), dalla Linea Guida “Scavo in sotterraneo con metodo a piena sezione e tecnica tradizionale in terreni grisutosi” (Linea Guida Grisù), ha trovato applicazione spontanea anche in altre regioni, consentendo di realizzare con successo (in termini di produttività e condizioni di sicurezza) oltre 400 km di gallerie in ammassi grisutosi.
L’articolo illustra S&R, indagini e controlli da condurre, in linea con la metodologia tecnico-scientifica raccomandata dalla NIR 28 e dalla Linea Guida Grisù, per la classifica tecnica di gallerie grisutose in fase di progettazione e la verifica dei modelli emissivi in corso d’opera, e l’applicazione pratica al progetto esecutivo e alla costruzione della galleria Serre.
Studi, ricerche, indagini e controlli per la classifica tecnica di gallerie grisutose
La NIR 28 e la Linea Guida Grisù individuano nel Tecnico Specialista (TS) la figura preposta ad attribuire (nelle fasi di progettazione) e verificare (in corso d’opera) gli ipotizzabili modelli emissivi, ed i relativi indici di Classe, associati a tratti omogenei del tracciato di gallerie realizzate in ammassi grisutosi.
La classifica tecnica in fase di progettazione
Per i progetti (Preliminare, Definitivo ed Esecutivo) delle gallerie, il TS deve determinare e approfondire – con specifici e dettagliati S&R (bibliografici e sperimentali) – l’assoluta assenza o la possibile presenza di metano nell’area del tracciato.
In quest’ultimo caso, deve fissare e progettare tutti gli aspetti tecnici che garantiscono efficaci soluzioni di sicurezza per uomini, macchine, impianti ed elementi strutturali e costruttivi dell’opera contro eventi associati ad invasioni di metano nel sottosuolo.
La NIR 28 e la Linea Guida Grisù impongono che il TS sviluppi S&R, sin dalla progettazione preliminare, su:
- documenti storici e letteratura tecnico-scientifica:
- geostrutture, eventi sismici ed emanazioni spontanee a cielo aperto di metano nell’area limitrofa al tracciato;
- manifestazioni di metano rilevate durante gli scavi di altre gallerie, o di opere sotterranee in genere, nello stesso contesto geo-strutturale;
- titoli minerari, di ricerca ed estrazione di idrocarburi (liquidi e/o gassosi), rilasciati dal Ministero per lo Sviluppo Economico, e stratigrafie dei pozzi di ricerca e produttivi di idrocarburi presenti nella regione;
- presenza di metano e cronistoria di infortuni ed incidenti per inneschi di miscele aria-metano in miniere sotterranee nello stesso contesto geo-strutturale;
- risultati delle misure di concentrazione di metano eseguite:
- con rilevatore gas manuale, a boccaforo di sondaggi geognostici;
- con la tecnica della “gas trap” [7 e 8];
- in foro, isolando i tratti sottoposti a misura con packer;
- su campioni di acqua prelevati nei sondaggi, per rilevare la presenza o meno di metano disciolto;
- risultati di indagini (sondaggi geognostici a carotaggio continuo con misure di permeabilità in foro, indagini sismiche a riflessione, ecc.) finalizzate ad ottenere informazioni su permeabilità, grado di fratturazione ed assetto geo-strutturale (presenza di pieghe, faglie e geo-strutture) degli ammassi attraversati dal tracciato;
- documentazione geologica, geotecnica ed idrogeologica (relazioni tecniche e profilo geo-strutturale delle gallerie) e progettuale delle opere (metodi e tecniche di scavo, dimensioni e caratteristiche tecniche, sezione ed ingombri, distanza del rivestimento definitivo, ecc.).
In base ai risultati degli S&R, il TS attribuisce agli ammassi attraversati dalla galleria, in relazione alla possibilità che il metano penetri in galleria ed alle caratteristiche dell’afflusso (modello emissivo), una delle seguenti Classi:
- Classe 0: nessun afflusso prevedibile;
- Classe 1a: possibilità remota, ma da non escludere, che si verifichino ingressi;
- Classe 1b: ingressi di metano prevedibili ma con portata ipoteticamente modesta;
- Classe 1c: ingressi prevedibili ma ipoteticamente poco frequenti o frequenti ma discontinui;
- Classe 2: invasioni di metano significative, continue/discontinue. Per la definizione del modello emissivo hanno particolare rilevanza gli indizi sulle caratteristiche geo-strutturali delle formazioni attraversate dal tracciato. L’efficacia del metodo di indagine, per determinare la presenza/assenza di metano nel sottosuolo, attraverso sondaggi geognostici, è notevolmente condizionata da:
- le dimensioni, la profondità, il numero di sondaggi rispetto alla lunghezza del tracciato, le modalità operative e le tecniche di scavo offrono solo “meri indizi” sulla presenza di metano nel sottosuolo. Infatti, la sezione del sondaggio è notevolmente inferiore (almeno per quattro ordini di grandezza) alle dimensioni del fronte di scavo della galleria. Pertanto, l’ipotesi che i sondaggi geognostici possano intercettare fratture/fessure portatrici di metano è da considerare poco probabile e comunque del tutto casuale rispetto a quanto si registra in galleria sul fronte in avanzamento;
- la presenza, nel foro da sonda, di acqua e/o del fango di perforazione può facilmente impedire afflussi di metano a bassa pressione;
- lo scavo della galleria genera fratture, fessure, deformazioni nell’ammasso intorno al cavo, che difficilmente si registrano nei sondaggi; per contro, la perforazione può determinare, nei fori da sonda, lo “skin effect” (impermeabilizzazione delle pareti) che tende a limitare la libera emissione di gas dalle pareti e dal fondo del foro. In conclusione, l’assenza di emissioni a boccaforo dei sondaggi non può essere considerata come assenza di trappole/serbatoi di metano o di formazioni grisutose, a meno che ciò non sia confermato da tutti gli altri elementi di conoscenza acquisiti e analizzati dal TS con gli S&R.
La verifica in corso d’opera
L’analisi diretta (visiva o con metodi strumentali) del fronte appena scavato, con tecnica tradizionale, è l’unico metodo scientifico d’indagine sperimentale continua che permette di:
- verificare se l’avanzamento stia incontrando o se rapidamente incontrerà condizioni potenzialmente favorevoli/sfavorevoli all’ingresso di metano in galleria;
- stabilire se quanto si osserva sia in linea oppure sia difforme dai risultati degli S&R condotti ante operam. Pertanto, la NIR 28 e la Linea Guida Grisù stabiliscono che la validità degli indici di Classe, attribuiti ante operam dal TS, deve essere da lui confermata o modificata, in corso d’opera, in base all’analisi degli ulteriori indizi desunti da:
- rilievi geo-strutturali sul fronte di scavo;
- avanzamento dei lavori (scavo del fronte, posa in opera del rivestimento di prima fase, scavo dell’arco rovescio, impermeabilizzazione, getto del rivestimento definitivo in calotta ed arco rovescio);
- registrazioni del sistema di monitoraggio automatico e continuo delle concentrazioni di metano in galleria;
- misure di concentrazione di metano eseguite, con rilevatore gas manuale:
- in galleria, nelle zone di potenziale innesco delle miscele aria-metano per urti, attriti, ecc., prodotti dalle attività di cavo e rivestimento;
- nei fori di consolidamento o di prospezione al fronte;
- a boccaforo dei sondaggi geognostici realizzati ante operam ungo il tracciato.
Un caso di studio: la galleria Serre
La galleria Serre è parte del I stralcio funzionale dell’infrastruttura Asse viario Marche-Umbria e Quadrilatero di penetrazione interna Maxilotto n° 2”, Pedemontana delle Marche, tratto Fabriano-Muccia/Sfercia (PdM) (Figura 2 sopra).
Il tracciato, lungo 941 m (851 m in naturale, Figura 3), attraversa – da NNW a SSE – un rilievo collinare (352,02 m s.l.m.) tra i comuni di Fabriano e Cerreto d’Esi e ricade nella Regione Marche, che nel 2013 ha recepito integralmente la NIR 28 come Nota Tecnica [6].
Il profilo altimetrico della galleria (Figura 4 sopra) ha andamento monotono con pendenza media del 2,0%, immersione verso NNW e copertura massima di 80 m.
L’opera, avviata a Giugno 2017 e completata a Giugno 2019, è stata realizzata scavando contemporaneamente su due fronti, a partire dagli imbocchi, con metodo a piena sezione (135 m², diametro equivalente di 13,2 m) e tecnica tradizionale (abbattimento con mezzi meccanici).
Il Progetto Esecutivo (PE) prevedeva che la Serre avrebbe attraversato, da Nord a Sud, le formazioni (Figura 4):
- Schlier da imbocco Nord fino a p.k. 1+812;
- Tripoli da p.k. 1+812 a p.k. 1+890;
- Camerino da p.k. 1+890 fino all’imbocco Sud. Buona parte del tracciato soggiace ad uno strato di peliti, posto a tetto della Formazione del Camerino (Figura 4), spesso in media 20 m, intercettato dalla p.k. 2+355 (in corrispondenza del sondaggio S6) fino all’imbocco Sud.
Lungo il tracciato della galleria sono state eseguite (Figura 4), ante operam:
- misure di concentrazione di metano:
- con rilevatore gas manuale, a boccaforo, durante la perforazione dei sondaggi geognostici A1, A2, A3, A4, A7, GT1bis, GT2bis, GT3bis e GT4bis;
- con la tecnica della “gas trap” nei fori GT1, GT2, GT3 e GT4, perforati a distruzione di nucleo;
- misure di permeabilità nei fori SN2104, S5, SN2105, SN2106, S6 e SN2107.
La definizione del modello emissivo e indici di Classe attribuiti ante operam (Progetto Esecutivo)
Gli S&R condotti ante operam dal TS, in conformità con la metodologia sintetizzata nel precedente capitolo, hanno portato a considerare quanto segue:
- l’assetto strutturale profondo dell’area è caratterizzato da faglie e dislocazioni tettoniche, presenza suffragata dalla sismicità dell’area (Figura 5), caratteristiche che possono favorire la risalita di metano da serbatoi profondi, verso gli strati superficiali fratturati del Camerino e dello Schlier [9];
- le stratigrafie dei pozzi realizzati, per la ricerca industriale di idrocarburi, a breve distanza dall’area di intervento (Figura 6) rivelano la presenza di formazioni carbonifere (lignite), di livelli bituminosi e di metano (pozzo Rosora 001) in corrispondenza di formazioni analoghe a quelle del tracciato;
- nelle misure eseguite con rilevatore gas manuale, a boccaforo dei sondaggi geognostici, e con la tecnica della “gas trap”, lungo il tracciato della Serre, è stata riscontrata la presenza, più o meno evidente, di metano in tutte le formazioni attraversate (Schlier, Tripoli, Camerino), con emissioni (Figure 8A, 8B e 8C):
- anche a quote inferiori alla livelletta della galleria;
- associabili, con buona probabilità, all’attraversamento di strati fratturati, a più elevata permeabilità;
- al contatto tra lo Schlier ed il Tripoli è presente una faglia normale [9] e l’assetto geo-strutturale dello Schlier è caratterizzato da una piega anticlinalica (Figura 4);
- la coltre di copertura limoso-argillosa e gli strati di argille marnose del Camerino (Figura 4) possono essere interpretati come strato impermeabile (cap/seal rock) a tetto dello Schlier (roccia serbatoio). Pertanto, il TS ha attribuito alla galleria due distinti indici di Classe (Figure 8A, 8B e 8C):
- Classe 2 nel tratto compreso tra imbocco Nord e p.k. 1+940 (331 m);
- Classe 1c nel tratto compreso tra p.k. 1+940 e l’imbocco Sud (520 m).
La verifica dei modelli emissivi in corso d’opera Dagli indizi acquisiti con le verifiche e i controlli effettuati dal TS durante la costruzione della Serre è emerso che:
- le previsioni sulle caratteristiche geo-strutturali degli ammassi attraversati dal tracciato sono state sostanzialmente confermate dai rilievi geo-strutturali al fronte, fatta eccezione per la porzione di tracciato compresa tra le p.k. 1+920 e 2+070 (formazione di Camerino), dove è stato riscontrato un sistema di lineazioni di frattura in regime transpressivo (Figura 8A).
Questo sistema, che rappresenta una struttura cui è attribuibile il tipico modello di flusso da Classe 2, non era prevedibile con le indagini condotte ante operam poiché non affiorante e non evidenziato dalla letteratura scientifica;
- il sistema di monitoraggio automatico e continuo ha rilevato flussi di metano (Figura 8B):
- discontinui nel tratto in Classe 1c, localizzati dove prevale la litofacies arenacea (litoide e fratturata) del Camerino;
- continui nel tratto in Classe 2, con emissioni registrate anche nei periodi di chiusura del cantiere;
- si sono registrate emissioni di metano nei fori di consolidamento al fronte ed a boccaforo dei fori inclinometrici lungo il tracciato (Figura 8C).
Conclusioni
Gli esaustivi S&R e le indagini condotte ante operam hanno portato ad ipotizzare due distinti modelli emissivi lungo il tracciato della Serre, sostanzialmente confermati in corso d’opera.
L’estensione del tratto in Classe 2, con il rilevamento di una geostruttura non affiorante e non rilevabile ante operam, è frutto delle accurate verifiche e analisi condotte dal TS.
Il caso di studio della galleria Serre conferma la validità della metodologia tecnico-scientifica definita dalla Nota Tecnica, dalla NIR 28 e dalla Linea Guida Grisù, nonché l’importanza di S&R, indagini e controlli specifici, per affrontare lo scavo di gallerie grisutose in condizioni di massima sicurezza.
Dati tecnici
- Stazione Appaltante: Quadrilatero Marche Umbria SpA
- Contraente Generale: Dirpa 2 Scarl
- Progetto esecutivo: Progin SpA (Mandataria)
- Direzione dei Lavori e C.S.E.: Engeko Scarl
- Esecutori dei Lavori: Astaldi SpA
- Data di ultimazione: Giugno 2019
- Consulenza rischio metano e Tecnico Specialista: Serengeo Srl
Bibliografia
[1]. AA.VV. – “Note interregionali e documenti attuativi emanati dalle Regioni Emilia-Romagna e Toscana”, https://www.ausl.bologna.it/aslbologna/dipartimenti-territoriali-1/dipartimento-di-sanita-pubblica/prevenzione-e-sicurezza-negli-ambienti-di-lavoro/GOP/Standard/filenote/folder_contents, (1998-2014).
[2]. J. Howard – “Prevention through Design – Introduction”, Journal of Safety Research 39 (113), 2008.
[3]. A. Bandini, P. Berry, C. Cormio – “Lo scavo di gallerie grisutose”, Strade & Autostrade” n° 145 Gennaio/Febbraio 2021 a pag. 40.
[4]. AUSL Bologna, Dipartimento di Sanità Pubblica – “Grandi Opere Infrastrutturali: misure tecniche ed organizzative per la prevenzione e la tutela della salute dei lavoratori. L’esperienza delle Aziende USL e le proposte di Linee Guida Nazionali”, Corso di Formazione, Ambiente-Lavoro 2016, Bologna 20-21 Ottobre 2016, https://www.ausl.bologna.it/eventi/archivio/auslevent.2016-07-12.1669126488, 2016.
[5]. AA.VV. – “Lavori in sotterraneo. Scavo in terreni grisutosi”, Grisù terza edizione, Nota interregionale n° 28, Prot. ASS/PRC/05/1141 del 13/01/2005.
[6]. AA.VV. – “Standard di sicurezza da adottarsi durante la realizzazione delle Grandi Opere Infrastrutturali: Lavori in sotterraneo – Scavo in terreni grisutosi”, Decreto n. 18/SPU del 06/09/2013.
[7]. A. Whittaker – “Mudlogging: gas extraction and monitoring: part 3, Wellsite methods, Morton-Thompson, D., Woods, A.M. (Eds), Development Geology Reference Manual. American Association of Petroleum Geologists, Tulsa, Oklahoma, pp 106-108, 1992.
[8]. A.H. Whittaker – “Mud Logging”, Bradley, H.B. (Ed.), Petroleum Engineering Handbook, Society of Petroleum Engineers Richardson, Texas, chap. 52, pp. 1-31, 1987.
[9]. V. Scisciani, G. Rusciadelli, F. Calamita – “Faglie normali nell’evoluzione tortoniano-messiniane dei bacini sinorogenici dell’Appennino centrale esterno”, Bollettino della Società Geologica Italiana 119: 715-732, 2000.
[10]. A. Rovida, M. Locati, R. Camassi, B. Lolli, P. Gasperini – “CPTI15, the 2015 version of the Parametric Catalogue of Italian Earthquakes, Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, doi:http://doi. org/10.6092/INGV.IT-CPTI15 (catalogo parametrico dei terremoti italiani 2015/fornisce dati parametrici omogenei, sia macrosismici, sia strumentali, relativi ai terremoti con intensità massima ≥ 5 o magnitudo ≥ 4.0 d’interesse per l’Italia nella finestra temporale 1000-2014),2016.
[11]. UNMIG (2009-2022) – Progetto ViDEPI, https://www.videpi.com/videpi/videpi.asp.
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