Nel dettaglio esecutivo, sono state prima effettuate iniezioni di miscele cementizie e chimiche per consolidare i fronti di scavo e rendere il terreno più omogeneo in vista del congelamento.
In seguito sono state posizionate sonde congelatrici e sonde termometriche, di lunghezza media di circa 40 m, disposte in modo da formare un muro di terreno ghiacciato di spessore tale da garantire il sostegno strutturale e l’impermeabilizzazione durante le successive fasi di scavo.
Le sonde sono state disposte in modo da lasciare non congelato l’ultimo metro di terreno al di sotto della soletta esistente, in maniera tale da consentire che questo strato risulti libero di deformarsi per assorbire gli eventuali sollevamenti dovuti alla formazione del muro di ghiaccio.
Ai lati dello schermo di terreno congelato, vista la presenza di lenti di materiali permeabili al contatto della esistente stazione linea A, è stata inoltre prevista la messa in opera di ulteriori canne congelatrici da cui eseguire, se necessario, un congelamento di tipo impermeabilizzante controllato (“soft ice”).
Al fine di contenere ulteriormente le eventuali deformazioni indotte dalla formazione del muro di ghiaccio, è stata prevista anche la messa in opera di tubi deformabili nella zona compresa fra il fronte di ghiaccio dei piedritti e la soletta ed il “magrone” esistente.
Una volta formato il muro di ghiaccio, si è proceduto al taglio delle paratie della Linea C e della Linea A, allo scavo delle gallerie in tradizionale, con posa in opera di un rivestimento provvisorio formato da centine metalliche e calcestruzzo spruzzato ed infine allo scavo di ribasso dell’arco rovescio, con impermeabilizzazione e getto del rivestimento definitivo.
Una volta completato il rivestimento definitivo delle gallerie di sotto-attraversamento, è stata eseguita la ri-profilatura dei pali di fondazione della stazione esistente linea A, interferenti con le sezioni di passaggio dei treni della nuova Linea C.
Per consentire l’arrivo dei Mini-tunnel in prossimità delle paratie della stazione Linea A esistente lato T3, una volta completate le gallerie di sotto-attraversamento, è previsto inoltre un ulteriore intervento di consolidamento, mediante iniezioni cementizie e chimiche. L’intervento, eseguito direttamente dal fronte delle medesime gallerie, ha lo scopo creare un guscio di protezione all’interno del quale si possa procedere allo smontaggio delle teste fresanti dei Mini-tunnel.
Il progetto ha avuto una eccezionale valenza tecnica per via dei vincoli dettati dalle strutture pre esistenti, in particolare i pali di fondazione della linea A che hanno imposto interassi tra le canne congelatrici di oltre 3 metri e mezzo e per le complesse condizioni stratigrafiche ed idrauliche presenti nel sito.
Il congelamento modifica quindi le proprietà termiche del terreno come quelle di resistenza. La corretta determinazione delle caratteristiche termiche è fondamentale quindi per una quanto più attendibile previsione del tempo di congelamento, delle potenza e della capacità frigorifera necessarie per l’ottenimento dei requisiti progettuali richiesti.
La particolare complessità del progetto ha richiesto l’utilizzo di un sistema di congelamento misto a 2 fasi.
Nella prima fase di congelamento si è utilizzato un congelamento “ad azoto liquido” detto anche “a ciclo aperto” o “diretto” (figura 5); il fluido frigorifero (gas compresso allo stato liquido con temperatura pari a -196°C) circola in un circuito aperto e, dopo il passaggio all’interno delle sonde congelatrici, viene disperso in atmosfera allo stato gassoso. Ciò ha permesso di ridurre i tempi esecutivi ed ottenere al contempo una maggiore sicurezza di chiusura del muro di ghiaccio in corrispondenza dei pali linea A, dove gli interassi fra le canne congelatrici hanno raggiunto valori di oltre 3.5 metri.
Nella seconda fase di realizzazione della galleria, la parete ghiacciata è stata mantenuta utilizzando gruppi frigoriferi e “salamoia“ quale fluido refrigerante, una soluzione acquosa di cloruro di calcio con punto di congelamento compreso tra -40 °C e -50 °C. Questo sistema di congelamento è detto anche “a ciclo chiuso” o “indiretto”; il fluido refrigerante, dopo il suo passaggio nelle sonde congelatrici, dove scambiando calore si riscalda, ritorna all’impianto frigorifero, viene nuovamente raffreddato e di qui re-inviato alle sonde congelatrici.
Ciò ha permesso un maggior controllo dell’evoluzione nel tempo del muro di ghiaccio, consentendo di limitare le deformazioni indotte sulla soletta esistente della Linea A.
Logistica di cantiere e minimizzazione dell’impatto sulla popolazione
La posizione del cantiere al centro della città, lo spazio limitato e la contemporanea congestione delle attività, hanno richiesto soluzioni progettuali complesse soprattutto per quanto concerne la realizzazione dell’impianto di distribuzione dei fluidi refrigeranti, l’azoto liquido e la salamoia.
Sono stati utilizzati impianti frigoriferi industriali con fluidi refrigeranti ecologici, accuratamente controllati e sottoposti a periodiche verifiche ispettive.
Un’attenzione particolare è stata posta sul fronte delle problematiche di emissioni in atmosfera e minimizzazione dell’impatto visivo dei fumi di scarico sui residenti del quartiere.
Per quanto riguarda gli impianti frigoriferi industriali, sono stati adottati condensatori di tipo evaporativo e torri di raffreddamento che utilizzano scambi termici acqua/aria. All’uscita della torre il flusso d’aria, calda e satura di umidità, subisce un brusco raffreddamento, una parte dell’acqua contenuta condensa generando solamente un pennacchio bianco di vapore acqueo.
Per quanto riguarda il sistema di congelamento ad azoto liquido, quest’ultimo, all’uscita dalle sonde congelatrici viene disperso allo stato gassoso in atmosfera ad una temperatura variabile fra circa -60 °C e -120 °C.
L’azoto è un gas non tossico, inodore, incolore e non infiammabile, presente nell’atmosfera al 78%. La condensa che si forma al contatto con l’aria si manifesta in fumi bianchi. La sua emissione in ambienti aperti non presenta alcun rischio per la salute.
Sistemi di Monitoraggio
La complessità e l’importanza dell’opera hanno imposto l’utilizzo di diversi sistemi di monitoraggio, finalizzati sia alla salvaguardia della sicurezza degli operatori, sia al controllo delle strutture esistenti e delle attività di congelamento.
Sistema di monitoraggio della percentuale di ossigeno presente nell’aria
E’ stato installato un sistema di monitoraggio della percentuale di ossigeno presente nell’aria, per salvaguardare le maestranze che lavorano in sotterraneo in presenza di sonde congelatrici alimentate con azoto liquido.
Al raggiungimento della soglia di allarme il sistema provvede automaticamente alla chiusura dell’elettrovalvola di mandata dell’azoto e fa scattare un allarme che consente di identificare con la massima tempestività la fuga di gas e nel contempo rende possibile l’evacuazione degli operatori.
Monitoraggio strutturale
Un sistema di monitoraggio integrato consente il controllo delle strutture esistenti.
Il sistema è composto da:
- Tazze livellometriche indicano eventuali deformazioni indotte sulla soletta di sottofondo della stazione della linea A;
- Termometri inseriti all’interno della soletta, segnalano l’avvicinamento del fronte di terreno congelato all’intradosso della stessa;
- Miniprismi e capisaldi topografici controllano le deformazioni delle strutture portanti della stazione San Giovanni linea “A”, diaframmi, pali, solai, ecc
- Elettrolivelle monitorano le eventuali deformazioni dei ponti metallici
Monitoraggio delle temperature del terreno
Un apposito sistema di monitoraggio consente il controllo e la gestione in “real time” del processo di congelamento del terreno ed il successivo mantenimento del muro di ghiaccio. Il controllo delle temperature viene eseguito mediante sonde termometriche, costituite da una serie di sensori, posizionate sul contorno del muro di ghiaccio a distanze note e misurate.
L’interpretazione dell’andamento delle temperature in funzione del tempo e della distanza rispetto alle sonde congelatrici, consente di poter monitorare lo stato evolutivo del muro di ghiaccio; raggiunte le condizioni di progetto, in termini di continuità e chiusura del muro di ghiaccio, spessori e temperature, si può procedere con lo scavo delle gallerie.
Conclusioni
Il progetto di sotto-attraversamento della Stazione San Giovanni Linea A ha avuto una eccezionale valenza tecnica per via dei vincoli dettati dalle strutture pre-esistenti e dalle complesse condizioni stratigrafiche ed idrauliche presenti nel sito.
L’esperienza fatta costituirà un utile riferimento per altre future applicazioni della metodologia del congelamento artificiale dei terreni in contesti stratigrafici, geotecnici ed ambientali di analoga.
