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Ripristino strutturale in galleria

I lavori di ripristino strutturale del rivestimento eseguiti con successo nella canna sud della galleria Allocco dimostrano come lo studio e la messa a punto di un metodo progettuale e costruttivo siano essenziali per la riuscita di questo genere di interventi

Il 2020 ha segnato un punto di svolta per le attività che Autostrade per l’Italia svolge regolarmente al fine di assicurare il controllo e il monitoraggio dell’infrastruttura gestita.

Nel corso di quest’anno sono infatti stati introdotti nuovi standard di controllo validati in collaborazione con alcune Università italiane e condivisi con il Ministero delle Infrastrutture dei Trasporti o emanati dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, così da poter intervenire in modo preventivo e tempestivo su tutte le eventuali problematiche rilevate dall’analisi puntuale.

La vasta campagna di verifiche volte a censire lo stato di conservazione delle opere è stata sostenuta anche da una procedura di evidenza pubblica che ha portato alla completa esternalizzazione dell’incarico di sorveglianza delle opere d’arte, quali ponti, viadotti e gallerie.

L’azione di controllo è stata ulteriormente rafforzata grazie all’affidamento di incarichi specifici a un raggruppamento di imprese specializzate di comprovata esperienza nel settore dei servizi di ingegneria.

Grotti
1. L’assonometria dei rilievi eseguiti con georadar sulla galleria Allocco (photo credit: Studio Micheloni Srl)

Per rendere permanente e continuativo il monitoraggio, lo scorso Novembre l’Azienda ha inoltre annunciato l’entrata in funzione del sistema digitale Argo, che offre enormi vantaggi di carattere tecnico e gestionale (si veda “Strade & Autostrade” n° 145 Gennaio/Febbraio 2021 e su https://www.stradeeautostrade.it/strade-e-autostrade/argo-panoptes-che-tutto-vede/).

Messo a punto da Autostrade Tech, la divisione che si dedica all’innovazione tecnologica, il sistema permette di innovare in modo radicale le attività di monitoraggio e sorveglianza, presenti e future, delle oltre 4.500 opere di vario tipo e di ottenere quindi una serie di dati, anche in tempo reale, grazie all’impiego di vari dispositivi di rilevamento.

Nel quadro generale di controllo dello stato di efficienza delle varie opere rientrano anche le 581 gallerie distribuite sulle varie tratte in gestione; l’intenso lavoro di verifica ha già portato a una serie di interventi di ripristino di vario tipo.

La galleria Allocco

La galleria Allocco si trova nel tratto emiliano della A1 e, se raggiunta da Nord, è collocata alla p.k. 221,85, cioè a poco più di 3 km dopo l’uscita di Sasso Marconi. Aperta al traffico nel Luglio 2006, l’opera ha doppio fornice con sezione policentrica, è lunga 3.480 m (1.710 m canna Nord e 1.770 m canna Sud) e dispone di due by-pass pedonali e uno carrabile.

Nell’ambito della campagna di monitoraggio mirata a valutare lo stato di conservazione del rivestimento definitivo, l’Allocco già nei primi mesi del 2020 è stata una fra le prime gallerie sottoposte ad un livello di controllo più approfondito proprio grazie all’introduzione di alcuni sistemi di indagine strumentale avanzati, successivamente richiamati anche dalla Circolare n° 269 del 07/07/2020 a firma del Ministro De Micheli.

Galleria Allocco
2. Il taglio strutturale è stato un aspetto determinante dell’intervento

In particolare, il rilievo eseguito con georadar ha permesso di evidenziare la presenza di sotto-spessori in un tratto di calotta di circa 12 m di lunghezza (corrispondente ad un intero concio di getto) posto a una distanza compresa tra 212 e 224 m dall’imbocco lato Bologna della canna Sud.

Ciò ha richiesto un intervento di tipo strutturale capace di ripristinare le condizioni di portanza di progetto di quella porzione di rivestimento. Si trattava dunque di operare dalla calotta alle reni per uno sviluppo di 18 m, ripristinando la continuità strutturale ed evitando, nel contempo, di chiudere completamente all’esercizio la carreggiata per tutta la durata dei lavori con una modalità di intervento che riducesse il più possibile l’interruzione temporanea del traffico.

Un progetto che ha definito un metodo di intervento

Per coniugare tutti gli aspetti dell’intervento (ripristino strutturale di tipo puntuale con contrazione dei tempi di lavoro e di quelli di chiusura al traffico) la Direzione del 4° tronco di ASPI ha incaricato la Società di ingegneria Studio Micheloni Srl di elaborare un progetto esecutivo in grado di fornire una risposta adeguata alla particolare problematica.

La progettazione è stata svolta in accordo e con la supervisione dell’Unità Operativa Tecnica. Si trattava, come già accennato, di identificare una soluzione definitiva del problema, tenendo però conto di tutte le considerazioni di carattere costruttivo e logistico necessarie per eseguire le varie lavorazioni.

I Progettisti hanno quindi previsto di rimuovere lo strato di calcestruzzo non armato nell’area interessata dal sotto-spessore e di provvedere ad un nuovo getto di corretto spessore, tale da ripristinare la continuità del rivestimento e la resistenza strutturale originaria.

La soluzione presentava dunque il vantaggio di ripristinare la capacità portante del tratto in sottospessore, senza però alterare la sezione con elementi strutturali esterni ed aggiuntivi rispetto al rivestimento definitivo esistente.

  • GTF 400 RC
    3A gro
    3A. La GTF 400 RC, dotata di fresa speciale SC 500 a tamburo di 50 cm di larghezza, è capace di fresare fino a una profondità di 60 cm: è sempre riuscita a terminare il taglio in tempi inferiori a quelli programmati, cioè rimuovendo oltre 3,5 m3/ora
  • fresa
    3B gro
    3B. La GTF 400 RC, dotata di fresa speciale SC 500 a tamburo di 50 cm di larghezza, è capace di fresare fino a una profondità di 60 cm: è sempre riuscita a terminare il taglio in tempi inferiori a quelli programmati, cioè rimuovendo oltre 3,5 m3/ora

Anche se delineato nei suoi tratti essenziali, l’intervento presentava comunque una serie di problematiche operative che dovevano essere affrontate e risolte. Sezionare il rivestimento definitivo per un tratto di circa 12 m significava creare un ulteriore indebolimento, anche se temporaneo, della sua capacità portante.

Vista infatti la sezione policentrica della galleria, esisteva la possibilità che nell’area di chiave di volta dell’arco ribassato, si innescassero problemi strutturali dovuti a spinte dell’ammasso roccioso che si trovava al di sopra dei punti dove si sarebbe dovuti intervenire.

Come noto, anche per le difficoltà e le sfide d’ordine costruttivo incontrate durante lo scavo di tutte le gallerie della Variante di Valico, il tratto appenninico tosco-emiliano è caratterizzato da un profilo geologico composto da ammassi rocciosi che, in alcune zone, si distinguono per essere poco coesi e molto spingenti.

Nell’area tra la Valle di Setta e la Val di Sambro attraversata dalla galleria Allocco l’unita litostratigrafica è infatti contraddistinta da fitte alternanze marnoso-arenacee che al tempo della costruzione portarono al consolidamento del fronte durante lo scavo (sistema Adeco-RS).

Attenti a questo aspetto, in via cautelativa i Progettisti hanno dunque stabilito che si dovesse assumere la condizione più sfavorevole, indipendentemente dalle effettive spinte dell’ammasso roccioso situato al di sopra dell’area di sotto-spessore oggetto dei lavori.

Questo ha determinato che la modalità d’intervento fosse suddivisa in fasi distinte e in cicli di lavorazioni contenuti da un punto di vista dimensionale e temporale; in questo modo si sarebbero potuti evitare rischi durante l’esecuzione del taglio, durante la temporanea riapertura al traffico prima del getto e infine durante la maturazione necessaria al raggiungimento dei valori di portanza stabiliti.

Da questa considerazione di base è scaturita una sequenza che ha previsto la movimentazione del cassero e il taglio del rivestimento del tratto di sotto-spessore.

Alla fase di taglio è seguita una nuova movimentazione del cassero per permettere la posa degli inghisaggi necessari per i connettori posti alla base del concio, quindi un’ulteriore movimentazione del cassero e il suo approntamento e, infine, il getto e la successiva scasseratura.

Pavimental
4. La fase di verifica della profondità dopo una passata

Originariamente era stata prevista una sequenza di dieci conci di 45 cm di spessore e 1,20 m di larghezza, che poi si è potuta incrementare a 1,50 m e 1,80 m, a fronte della verifica in corso d’opera di condizioni di stabilità decisamente migliori del previsto.

Ciascuna fase avrebbe dovuto essere compresa in un massimo di nove ore di lavoro (dalle ore 21.00 alle ore 6.00, comprese le fasi di allestimento e disallestimento del cantiere di deviazione stradale).

Tutte le lavorazioni, dalla fresatura al getto finale, sono quindi state dimensionate in modo da rientrare nella finestra di chiusura notturna della galleria al traffico e da permettere la regolare riapertura al mattino seguente.

Le condizioni per portare a termine con successo l’intervento, così come pianificato, erano tuttavia legate all’individuazione di un sistema di taglio meccanico di adeguata potenza e precisione, alla disponibilità di un cassero con movimentazione idraulica di dimensioni adatte al profilo della galleria, che consentisse il rapido posizionamento e spostamento, e alla messa a punto di una miscela di calcestruzzo in grado di raggiungere in 24 ore una resistenza pari a Rck > 35 MPa e dopo 28 giorni una resistenza pari a Rck > 75 MPa, cioè valori di resistenza che solitamente vengono ottenuti in tempi molto più lunghi.

Il taglio strutturale di precisione

Pavimental, Appaltatore dell’opera, ha subappaltato alcune lavorazioni a un’ATI composta dall’Impresa 4Streets Srl e MD, ma ha mantenuto la supervisione tecnica di tutto il lavoro, provvedendo innanzitutto all’asportazione della porzione di rivestimento caratterizzato da sotto-spessore.

Si trattava di utilizzare un sistema che avesse sufficiente potenza per fresare un concio di almeno 1,20 m dalla calotta fino alle reni in entrambi lati per uno sviluppo di 18 m con uno spessore medio di 45 cm, per un totale di circa 10 m3, in un tempo massimo di 4 ore.

Come già sottolineato, la misura della larghezza del concio è stata inizialmente identificata dai Progettisti come quella più cautelativa per minimizzare i rischi connessi alle possibili spinte dell’ammasso roccioso sovrastante.

Il dimensionamento del taglio strutturale è stato però determinato anche dalla necessità di ottenere un volume del getto compatibile con la produzione eseguibile nella finestra temporale a disposizione nella singola notte di lavoro.

cassero
5. Il cassero durante la fase di preparazione prima del getto

Per garantire che le operazioni di taglio fossero eseguite con precisione e sufficiente produttività, Pavimental ha fatto ricorso alla scarifica speciale realizzata con la tecnologia GTF (Grotti GTF technology™) noleggiando a caldo da Grotti Srl una GTF 400 RC dotata di fresa speciale SC 500 a tamburo di 50 cm di larghezza, capace di fresare fino ad una profondità di 60 cm (https://www.grottisrl.it/it/scarifiche-speciali/scarifiche-speciali/).

Grazie alla potenza della macchina motrice (motore termico di 315 kW, potenza idraulica disponibile 230 kW) e a quella dell’attrezzatura (180 kW), il sistema macchina-attrezzatura disponeva infatti della necessaria produttività per completare in circa quattro ore un concio di almeno 1,20 m in diverse passate.

Tramite una centralina elettronica che controlla e governa le varie funzioni del circuito idraulico, la tecnologia GTF era anche in grado di garantire un alto livello di precisione sui due assi (profondità e direzione della scarifica).

Questo aspetto cruciale era necessario per restare entro i dimensionamenti previsti dal progetto e per permettere che il cassero mobile fornisse un’adeguata copertura del taglio prima e durante il getto. Per la profondità la macchina poteva assicurare infatti un margine di scarto contenuto in +/−0,5 mm per ogni 5 cm.

La precisione della direzione di scarifica era invece garantita da speciali sistemi di puntamento laser che permettono di ottenere uno scarto massimo di +/−2 cm per lato, indipendentemente dalla lunghezza della scarifica che si deve eseguire.

Per tutta la durata dei lavori la GTF 400 RC ha operato secondo il piano di lavoro impostato, riuscendo sempre a terminare in tempi inferiori a quelli programmati, cioè rimuovendo oltre 3,5 m3/ora, tanto che è stato possibile aumentare la larghezza di fresatura anche oltre i 120 cm per garantire produzioni anche superiori a quelle inizialmente stimate nell’arco del singolo turno di lavoro.

L’adozione della scarifica speciale ha dunque dato ottimi risultati e ha rappresentato un aspetto di fondamentale importanza per garantire la conclusione dell’intervento nei tempi e nelle modalità che erano state previste dai Progettisti.

Scarifica
6. La miscela di cls doveva essere in grado di raggiungere in 24 ore una resistenza pari a Rck > 35 MPa e una resistenza pari a Rck > 75 MPa dopo 28 giorni

Lo studio della miscela di cls

La necessità di scasserare a meno di 24 ore ha richiesto lo studio di una miscela di calcestruzzo in grado di maturare, cioè di provvedere all’idratazione del cemento, e di possedere proprietà meccaniche adeguate, in tempi molto ridotti.

Come noto, il raggiungimento di questo risultato è determinato dall’adozione di additivi acceleranti della presa del cemento che permettano la riduzione del rapporto a/c a parità di lavorabilità, così come da un adeguato costipamento eseguito con vibratori che permettano di raggiungere in modo uniforme tutto il getto.

Nella fattispecie i Progettisti hanno determinalo che la miscela dovesse avere una resistenza caratteristica pari a 35 N/mm2 entro le 24 ore, per poi raggiungere gradualmente i 75 N/mm2 al 28° giorno. Un obiettivo che ha richiesto anche la corretta additivazione con fluidificanti e acceleranti, così da garantire sufficiente lavorabilità e contrazione dei tempi di maturazione.

Il progetto della miscela è stato messo a punto con il laboratorio Ricerca & Sviluppo di Unicem SpA di Calenzano (FI) e il mix è risultato sempre entro i parametri prescritti, sia in termini di resistenza che di consistenza.

In particolare la specifica del calcestruzzo previsto dal progetto è stata quella di un “calcestruzzo C60/75 S4 D20 per la realizzazione del rinforzo delle calotte di galleria, con classe di resistenza C28/35 a 24 ore e ritiro compensato”.

Tale risultato è stato ottenuto con una precisa selezione degli aggregati, con l’utilizzo di specifici additivi e con un preciso dosaggio del rapporto a/c.

Qualche problema si è manifestato sul piano della compensazione del ritiro idraulico, il che lascia presupporre spazi di miglioramento per applicazioni future, con lo studio di possibili soluzioni armate o fibrorinforzate. La soluzione individuata si è dimostrata viceversa particolarmente adeguata alle specifiche

indicate dai Progettisti in termini di resistenza, portando addirittura a valori che per la prima fase di maturazione permettevano il raggiungimento di prestazioni che eccedevano quelle richieste (35 N/mm2 dopo solo 16 ore).

Come riferitoci dall’Ing. Michele La Monica, Capo Commessa per lo Studio Micheloni Srl, quello della miscela del calcestruzzo e delle modalità di getto sono stati aspetti molto importanti, ma di per sé non sufficienti ad ottenere i risultati previsti: “Fin dalle fasi di progetto è risultato evidente che era necessario mettere a punto un metodo di monitoraggio che permettesse di valutare e analizzare con esattezza le fasi di maturazione ed espansione del getto.

approccio metodologico
7. In termini di resistenza, la miscela si è dimostrata in linea con quanto specificato dal progetto, portando addirittura a valori che per la prima fase di maturazione permettevano il raggiungimento di prestazioni eccedenti quelle richieste (35 N/mm2 dopo solo 16 ore)

Per questo abbiamo messo a punto un sistema che, utilizzando inclinometri e un dispositivo laser operante in continuo ha trasmesso i dati ad un processore situato al di fuori della galleria e alimentato da panelli solari. Il sistema ci ha permesso di monitorare a distanza tutto il processo, così da valutare e raccogliere i dati con estrema precisione”.

Il sistema di monitoraggio della galleria prima, durante e dopo l’esecuzione dei lavori deriva dal pluriennale know-how della Società di ingegneria Studio Micheloni Srl, che ha messo a punto un sistema di misura in grado di seguire in tempo reale le deformazioni dei nuovi elementi strutturali, a partire dal momento di scasseratura del getto.

In questo modo si è potuto monitorare in tempo reale lo sviluppo delle prestazioni strutturali dei nuovi getti, garantendo così la sicurezza degli utenti, che già al mattino seguente transitavano nella galleria.

Le misure con scansione laser scanner, prima durante e dopo l’intervento e il monitoraggio in continuo con sensori installati sui nuovi getti strutturali, hanno permesso un completo e continuo controllo dei lavori garantendo così un elevato standard di sicurezza.

Un intervento che ha creato un nuovo approccio metodologico

L’intervento sul rivestimento della galleria Allocco rappresenta un’importante svolta di carattere metodologico per definire i progetti relativi anche agli interventi di ripristino delle condizioni ideali di portanza di quei rivestimenti, dove questa fosse stata compromessa dall’ammaloramento del calcestruzzo.

Il metodo adottato ha particolare rilevanza perché preserva la funzione della viabilità stradale (in quanto non modifica il gabarit) delle gallerie di vecchia costruzione e di minore diametro, cioè quelle il cui rivestimento è solitamente più esposto agli effetti dei fenomeni di degrado del calcestruzzo (carbonatazione, infiltrazioni d’acqua, ecc.).

La soluzione alternativa, realizzata con sottarchi, porterebbe invece a un’alterazione della geometria e alla conseguente creazione di ostacoli al traffico, di fatto peggiorando in quel tratto le condizioni di sicurezza.

Sezione
8. La sezione della galleria Allocco con le soluzioni adottate

Dati tecnici

  • Committente e RUP: Direzione IV Tronco Firenze di Autostrade per l’Italia SpA
  • Progettista e monitoraggio: Studio Micheloni Srl
  • Impresa affidataria: Pavimental SpA
  • Impresa esecutrice: ATI composta da 4Streets Srl e MD
  • Direzione dei Lavori e CSE: Rothpletz Lienhard Srl
  • Scarifica speciale: Grotti GTF technology™
  • Volume di calcestruzzo fresato: 3,5 m3/ora (totale 100 m3)
  • Impianto betonaggio: Unical SpA

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