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Nuove tecnologie per la sicurezza e la manutenzione delle gallerie

La resilienza dei tunnel stradali e autostradali per il miglioramento delle condizioni di esercizio, garantendo la sicurezza e mantenimento dell’opera

L’Italia è il Paese europeo con il maggior numero di gallerie, con circa 650 km di tunnel in esercizio sulla sola rete TERN (Trans European Road Network), e a livello mondiale è seconda solamente al Giappone. Per questo, i temi della sicurezza in esercizio, di una corretta manutenzione strutturale e impiantistica ed il monitoraggio di un tunnel vestono un ruolo fondamentale per incrementare la capacità di esso a reagire o adattarsi con maggior successo agli effetti negativi di eventi, reali o potenziali, che influenzano l’utilizzo del tunnel.

sicurezza e manutenzione delle gallerie
1. Manutenzione e risanamento di una galleria stradale per aumentarne la resilienza

Secondo il PIARC TC4.4 “Tunnels”, la resilienza di una galleria è definita, appunto, come “la capacità di preparare e pianificare, resistere/assorbire, riprendersi o adattarsi con maggiore successo (tempestivamente ed efficientemente) agli effetti negativi effettivi o potenziali di eventi o sviluppi che influenzino l’utilizzo di una galleria. In questo contesto, un livello di sicurezza accettabile costituisce un vincolo imprescindibile per la disponibilità della galleria”.

Per migliorare la resilienza del tunnel e garantire lo sviluppo sostenibile del sistema infrastrutturale italiano, non si può prescindere da una attenta verifica dello stato di sicurezza delle opere, da un continuo monitoraggio del mantenimento dei livelli di sicurezza attesi per l’esercizio e la stabilità dell’opera e dalla conseguente adozione delle misure di manutenzione sull’opera e di mitigazione del rischio più adeguate e di volta in volta necessarie.

Al fine di una corretta gestione dell’infrastruttura e degli interventi di manutenzione sull’opera sia programmata che straordinaria, occorre che tutti gli elementi concorrenti a un impiego funzionale e sicuro del bene vengano monitorati e verificati in continuo: per questo, struttura, impianti, ambiente circostante e traffico devono essere monitorati con adeguati sensori. I dati letti dai sensori verranno poi raccolti e archiviati in apposite banche dati, per essere quindi impiegati in specifici algoritmi.

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2. La schermata EURAM

Nel presente articolo vengono illustrate tecnologie innovative per l’analisi del rischio dinamica (SCADRA) e i suoi effetti positivi sulla resilienza della galleria, nonché un approccio metodologico completo per l’adeguamento di gallerie esistenti (https://www.prometeoengineering.it/).

L’aumento di resilienza nel tunnel tramite SCADRA

Uno strumento che può aumentare significativamente la resilienza di un tunnel stradale è il sistema SCADRA [1] per l’analisi di rischio dinamica all’interno di una galleria e l’individuazione delle azioni, di volta in volta, più adeguate per garantire livelli di sicurezza prefissati.

SCADRA adotta la metodologia di analisi di rischio prevista dal D.Lgs. 264/06 e in conformità alla metodologia dettagliata nelle Linee Guida ANAS denominata IRAM (Italian Risk Analysis Method), l’unica esaminata dal CONSUP LL.PP. con voto n° 177/05bis del 15/12/2005, implementata nel software EURAM.

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3. Il tunnel monitorato con SCADRA

Lo SCADRA (Supervisory Control Acquisition and Dynamic Risk Analysis) raccoglie i dati sul traffico, sul sistema impiantistico, sull’ambiente circostante e consente di avere una quantificazione costante (ogni 10÷15 minuti) nel tempo del livello di rischio istantaneo, anche a fronte di eventi eccezionali avversi, da confrontare sistematicamente con soglie di attenzione e di allarme in precedenza definite in rapporto ai valori di rischio dichiarati all’Autorità Amministrativa [2].

L’analisi dinamica del rischio, quindi, consente di identificare le situazioni critiche in tempo reale e avvisare il centro di controllo del Gestore e gli utenti, ristabilire il livello di rischio a valori accettabili attraverso interventi sugli impianti o gestionali, pianificare la manutenzione ordinaria e straordinaria limitando gli interventi urgenti solo in caso di rischio elevato, nonché ridurre i tempi di intervento grazie ad una continua informazione sullo stato del traffico e della galleria.

Il livello di rischio istantaneo è rappresentato mediante la classificazione in quattro categorie di rischio mediante l’emoticon (Figura 4).

sicurezza e manutenzione delle gallerie
4. L’interfaccia del livello di rischio istantaneo tramite emoticon

Il raggiungimento del livello di rischio “Pre-Alert” corrisponde al superamento del livello di rischio coerente con quello accettato dall’autorità amministrativa. Al superamento di tale soglia, pertanto, il sistema suggerisce le misure gestionali che è necessario intraprendere al fine di ricondurre il rischio a un livello accettabile.

Qualora il livello di rischio cresca verso limiti di non accettabilità (Alert), se le misure proposte non sono in grado di ricondurre il rischio a un livello di accettabilità, lo SCADRA potrà segnalare anche la necessità di chiudere la galleria.

Nel grafico dell’andamento del rischio assoluto (Figura 5) sono evidenziati i parametri significativi che hanno determinato una variazione del rischio tale da ricondurlo ad un livello di attenzione (Livello Pre-Alert e Alert) e vengono anche indicate le azioni più adeguate a indurre un contenimento del rischio per ristabilire le condizioni di sicurezza richieste.

Dal 2019, il sistema SCADRA è stato installato nelle Gallerie di Valico (A15 Autocamionale della Cisa), Rimazzano (A12 Autostrada Azzurra) e Melarancio (A1 Autostrada del Sole) e i risultati risultano chiari e coerenti tra di loro.

Una nuova strada per migliorare la resilienza dei tunnel è ormai avviata. 

tunnel
5. Esempio di output nelle gallerie equipaggiate

La manutenzione per l’incremento di resilienza delle gallerie

Le gallerie, così come qualsiasi opera di ingegneria civile, sono soggette a deterioramento causato dall’invecchiamento dei materiali da costruzione e dall’interazione con il particolare ambiente circostante, che può mettere a rischio la stabilità e la funzionalità delle opere, nonché la sicurezza degli utenti.

Il comportamento delle opere in sotterraneo è condizionato dal contesto geologico-geomeccanico nelle quali sono realizzate e dalla presenza di acque di falda, che possono comportare classi di esposizione molto severe.

Nelle gallerie si osservano spesso anomalie e imperfezioni che, in molti casi, non hanno riflessi sul comportamento statico; in altri invece, occorre studiare con molta attenzione i reali riflessi sul comportamento dell’opera negli anni a venire.

Nel presente capitolo viene illustrato l’approccio metodologico completo da seguire nell’adeguamento di gallerie esistenti e le relative soluzioni progettuali che possono essere adottate in relazione alle anomalie individuate.

manutenzione delle gallerie
6. Una galleria esistente ammalorata

Troppo spesso anomalie ed imperfezioni del rivestimento che non hanno alcun riflesso sul comportamento statico del cavo, analizzate attraverso l’applicazione di Linee Guida straniere (per esempio CETU), vengono trattate e curate come se fossero foriere di gravi problemi di stabilità dell’opera.

Tale approccio può portare a un’errata diagnostica, andando a confondere difetti, talvolta puramente superficiali, senza alcuna influenza sulla stabilità locale o globale dell’opera, con sintomi di un deterioramento ben più grave.

La realizzazione degli interventi di manutenzione straordinaria in gallerie esistenti deve essere sempre preceduta da uno studio approfondito dello stato tenso-deformativo dell’ammasso al contorno, già condizionato dallo scavo eseguito, dello stato tenso-deformativo agente nel rivestimento delle gallerie, generalmente molto complesso a causa della storia costruttiva delle gallerie e delle caratteristiche strutturali del rivestimento, identificando e analizzando le anomalie funzionali e statiche eventualmente presenti.

A partire da questi rilievi, prima di progettare gli interventi di ristrutturazione della galleria, bisognerà raccogliere tutte le informazioni relative non solo allo stato della galleria in quel momento, ma anche all’evoluzione e alle modifiche nel tempo della struttura.

Per la valutazione dello stato di sicurezza delle opere, risulta difatti necessaria l’attuazione di campagne di monitoraggio propedeutiche volte ad acquisire una quantità significativa di dati, sulla base dei quali sviluppare lo studio ingegneristico della problematica in oggetto.

Lo schema di back-analysis
7. Lo schema di back-analysis

Contestualmente alle indagini, deve essere condotta un’ispezione visiva delle gallerie nel corso della quale è possibile individuare e classificare eventuali anomalie sulla base delle indicazioni fornite dalla letteratura di riferimento nazionale e internazionale, distinguendo gli ammaloramenti superficiali dalle situazioni più critiche, che possono essere correlate a sofferenze statiche.

Quando però la galleria presenta problematiche di tipo strutturale, anche locali, tali da condizionare la sicurezza dell’opera, non possono soltanto essere adottati interventi predefiniti per risolvere le anomalie riscontrate, ma risulta necessario determinare i coefficienti di sicurezza della struttura attraverso idonei modelli di calcolo in campo elasto-plastico sviluppati a partire da un approccio di back-analysis necessario per ricostruire la presunta situazione attuale per le diverse condizioni al contorno (Figura 8).

Per poter progettare correttamente gli interventi di ripristino strutturale, risulta difatti necessario interrogarsi sulle cause che hanno determinato una specifica problematica, ad esempio causata da modifiche delle condizioni al contorno delle gallerie che, specie in presenza di terreni plasticizzati e materiali ormai degradati, possono mettere in crisi la sicurezza statica delle opere.

Tali modelli, capaci di simulare l’interazione della struttura con il terreno circostante, possono fornire la conoscenza del reale coefficiente di sicurezza della galleria e individuare eventualmente gli interventi di risanamento e l’utilizzo delle tecnologie più opportune per garantire l’incremento dei coefficienti di sicurezza delle opere e la durabilità degli interventi nel lungo periodo.

8. L’intervento di risanamento

Conclusioni

In Italia ci sono oltre seicento gallerie, molte delle quali costruite prima degli anni Novanta e immerse in terreni spesso molto scadenti. Questa caratteristica impone una particolare attenzione al tema della resilienza delle opere in sotterraneo.

L’incremento di resilienza delle gallerie si ottiene principalmente attraverso la ricerca di un miglioramento continuo della sicurezza in esercizio del tunnel (applicando il monitoraggio dinamico delle condizioni di rischio in galleria tramite SCADRA) e una manutenzione mirata che tenga conto dell’invecchiamento dei materiali da costruzione e dell’interazione dell’opera con l’ambiente, che possono mettere a rischio la stabilità e la funzionalità dell’infrastruttura, nonché la sicurezza degli utenti.

Grazie al progresso tecnico e tecnologico in atto nel campo della sicurezza in esercizio e per la manutenzione di gallerie esistenti si riescono a raggiungere obiettivi di sicurezza e qualità delle opere mai visti in passato.

Il sistema SCADRA per la sicurezza in esercizio e la metodologia proposta per la manutenzione e il monitoraggio in galleria rappresentano concrete innovazioni per l’incremento della resilienza dei tunnel.

Bibliografia

[1]. A. Focaracci – “Il sistema SCADRA”, “Strade & Autostrade” n° 137 Settembre/Ottobre 2019, pagg. 36-39.

[2]. A. Focaracci, L. Martirano, G. Greco – “Smart Tunnel and Dynamic Risk Analysis”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 56, n. 3 May/June 2020.

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