gallerìa (edilizia)
Indice
Descrizione generale
termine con cui si indica una costruzione mediante la quale si assicura la continuità di una strada, di una ferrovia o di un corso d'acqua passando sotto a ostacoli naturali. Le gallerie, mediante uno scavo sottopassante l'ostacolo, consentono a una strada (ordinaria o ferrata) di svolgersi, mantenendo determinate caratteristiche di pendenza e di linearità del tracciato, sia attraverso masse montagnose, sia al di sotto di altri livelli stradali, di alvei fluviali, di fondi marini. Le gallerie si possono suddividere, secondo la loro destinazione, in ferroviarie, per strade ordinarie e in subalvee e distinguere, a seconda della tipologia, in gallerie propriamente dette (a foro cieco) realizzate interamente in sotterraneo e in gallerie artificiali o paravalanghe, ottenute per copertura, a scopo protettivo, di un tratto di strada ordinaria o ferrata.
Cenni storici
Sulla base di reperti archeologici e dalle descrizioni di antichi storici, si hanno sicure notizie dell'esistenza di gallerie minerarie sul finire dell'Età della Pietra, insieme alle prime scoperte metallurgiche; della costruzione di una galleria sotto l'Eufrate (lunga ca. 1 km), a Babilonia intorno al 2180 a. C. (da Diodoro Siculo); di gallerie costruite in Grecia (quella dell'isola di Samo, del 687 a. C., è stata descritta da Erodoto); di realizzazioni sotterranee egiziane. Di rilievo furono le gallerie realizzate dai Romani con i loro acquedotti e con opere quali la Crypta Neapolitana (galleria stradale, lunga 1800 m, costruita sotto la collina di Posillipo) o quella emissaria del Fucino, lunga più di 5 chilometri. Un primo e isolato tentativo di codificare una tecnica delle gallerie si ha nel De re metallica di Agricola (1556). Nel 1676-81, nella costruzione della galleria di Malpas in Francia, lunga 160 m, si fece uso per la prima volta della polvere da sparo e ancora in Francia, nel 1803-10, nell'affrontare la galleria di Tronquoy per la costruzione del canale di San Quintino, si impiegò un primo vero metodo di attacco, con razionale e organica divisione del lavoro nelle diverse fasi di scavo, sostegno e rivestimento. A seguito delle prime esperienze e per la disponibilità di mezzi tecnicamente sempre più adeguati, si verificò poi un continuo perfezionarsi degli ordinari metodi di costruzione, insieme alla realizzazione e alla messa a punto di nuove tecniche (per esempio il metodo dello scudo di M. J. Brunel, del 1818). Sulla base delle esperienze già fatte, si iniziò anche un esame scientifico dei problemi tecnici relativi, per giungere a una vera e propria “scienza delle gallerie” con il trattato di F. von Rizha Lehrbuch über die gesamte Tunnel Baukunst. Un decisivo progresso si verificò, con lo sviluppo delle ferrovie, a partire dal 1880 quando venne affrontato lo scavo di gallerie transalpine.
Tipologie e dimensioni
Per il nuovo concetto di traffico autostradale, legato a fattori tempo-velocità-sicurezza e soprattutto al forte aumento di volume di tale traffico, oggi le maggiori realizzazioni in galleria sono legate alle grandi vie di comunicazione stradale. Si hanno così, per quel che riguarda il tracciamento, la sezione e le sue dimensioni, risultati diversi per le diverse esigenze dei due mezzi. Per l'andamento plani-altimetrico esistono ancora dei fattori comuni a determinare pendenza e tracciato (per quanto, per esempio, un forte dislivello tra imbocchi vicini richieda per una galleria ferroviaria un andamento elicoidale che le consenta di mantenere la pendenza costante ed entro valori modesti), mentre nella scelta della sezione e delle sue dimensioni è determinante il tipo di traffico che vi si svolgerà. Infatti per una galleria ferroviaria la sezione libera del vano viene determinata dalla sagoma limite del mezzo, più un margine di manovra (per sopraelevazione della rotaia esterna in curva) e di sicurezza (per disporre ponteggi di servizio in caso di lavori). Si ottiene così una larghezza al piano del ferro di 4,50-5,50 m (binario unico) o di 8,00- 8,50 m (doppio binario) e un'altezza in chiave di 5,50 o 6,50 m, rispettivamente per una o due vie. Nelle gallerie autostradali si hanno in genere sezioni maggiori e conseguentemente più ribassate in relazione al numero di corsie presenti: partendo da una sezione minima di 7,50-10,50 m, comprendente due corsie (3,00-3,75 m ognuna) e due marciapiedi (0,75-1,50 m), con un'altezza libera non inferiore a 4,20-4,50 m, si può giungere a sezioni di 14-18 m, per quanto tali grandi vani unici siano in genere limitati alle sole gallerie urbane, mentre fuori città si preferisce realizzare due vani distinti, paralleli, contigui o distanziati. Sempre con vani distinti vengono realizzate le gallerie subacquee, ferroviarie e stradali. Per tutti i tipi di gallerie, comprese ormai quelle per miniera, si ricorre oggi a una serie di operazioni sostanzialmente uguali che possono riassumersi in: studio preliminare del terreno ed eventuali interventi di consolidamento; tracciamento e determinazione della sezione trasversale; scelta del metodo di attacco della galleria; fasi di costruzione; risoluzione dei problemi tecnici accessori (per esempio aerazione, macchinari, ecc.).
Fasi di costruzione: studio del terreno
Lo studio del terreno consiste in una serie di esami a carattere idrogeologico, tendenti a determinare, per tutta la lunghezza del tracciato, soprattutto la natura del suolo, la sua stratificazione, l'andamento delle condizioni termiche, nonché l'eventuale presenza di acqua e di gas; la spinta del suolo varia, infatti, con le dimensioni dello scavo e la sua profondità, in relazione alle caratteristiche del terreno stesso. Inoltre, se per una profondità limitata il valore di tale spinta è ancora teoricamente determinabile con buona approssimazione, oltre un certo limite, esso non sarà più riferibile a teorie matematiche, ma si potrà dedurre solo da prove ed esperienze analoghe. Nelle condizioni medie che più frequentemente si presentano, il carico va sempre considerato maggiore del presunto peso del terreno e sul suo valore e distribuzione ha grande importanza la giacitura delle stratificazioni. Si possono considerare, come esempi indicativi di spinta a grande profondità, i seguenti valori: terreno sabbioso asciutto 10 t/m²; terreno argilloso asciutto 30 t/m²; terreno scorrevole o imbevuto di acqua 60 t/m². L'esame del terreno viene effettuato in pratica mediante sondaggi, con pozzi o perforazioni, dislocati agli imbocchi della galleria e, se l'andamento del terreno lo consente, in altre posizioni intermedie, le più numerose possibili o, ancora meglio, mediante un cunicolo di ricognizione. Tali sondaggi, per portare a una buona conoscenza del terreno, dovrebbero essere effettuati lungo l'asse della galleria, ma spesso la presenza di terreni permeabili, che potrebbero portare alla formazione di zone di drenaggio, richiede che vengano praticati a una certa distanza. Questi scavi vengono inoltre spesso riutilizzati in fase di costruzione, sia per l'esecuzione dei lavori sia per la ventilazione. Nonostante l'importanza di un serio studio idrogeologico sia tale da determinare a volte lo spostamento di un tracciato, pure non lo si può considerare definitivo, ma sempre approssimato, richiedendo una continua verifica per tutta la durata dei lavori. Nel caso specifico di attraversamento di terreni poco consistenti o imbevuti d'acqua, si potranno rendere necessari particolari interventi stabilizzanti, prima dell'attacco della galleria, quali la congelazione, per conferire al terreno la necessaria durezza per la durata dello scavo; il consolidamento per iniezioni; il drenaggio, con conseguente abbassamento della falda acquifera.
Fasi di costruzione: tracciamento
Stabilito approssimativamente, sulla base di scelte topografiche e urbanistiche, dove dovrà passare la galleria, occorre definirne il tracciato. L'andamento planimetrico può essere retto, curvo o misto; il primo è preferibile nelle lunghe gallerie, sia per una maggiore precisione di tracciamento sia per una più facile esecuzione. Nel profilo altimetrico si deve evitare l'impiego di lunghi tratti orizzontali (dove l'acqua ristagnerebbe) per assumere pendenze moderate, a partire dai valori minimi che consentano lo scolo naturale delle acque, fino a quelli massimi limitati da problemi inerenti all'andatura dei veicoli, o alla ridotta aderenza dei treni e al raccordo con le rampe allo scoperto. Si provvede prima al tracciamento esterno dell'asse, per poi procedere a quello interno, riportando l'asse all'interno dello scavo col progredire dei lavori a partire dagli imbocchi e, se possibile, servendosi di altri punti intermedi raggiunti con pozzi o finestre. Qualora il terreno sovrastante non sia praticabile per un tracciamento diretto, si può far ricorso a una triangolazione passante per gli imbocchi, purché appoggiata a una base misurabile con grande precisione.
Fasi di costruzione: determinazione della sezione
La sezione trasversale di una galleria si può considerare composta da una parte libera destinata al passaggio dei veicoli e da un rivestimento. Fissata la sezione utile in relazione alla destinazione della galleria , se ne stabilirà il profilo, lo spessore e il tipo di rivestimento in base alla natura del suolo. Il rivestimento (in mattoni, calcestruzzo, eccezionalmente in metallo nelle gallerie sottofluviali) potrà essere non necessario o ridotto a spessori minimi in presenza di roccia compatta e non geliva; limitato alla sola calotta, per contenere una eventuale caduta di massi; composto di calotta e piedritti, in presenza di carico solo verticale; con arco rovescio, di controventamento dei piedritti oppure in presenza di spinta dal basso verso l'alto; completo, in forma di anello chiuso con curvatura continua, se in terreno molto spingente. Lo spessore del rivestimento, nelle sue varie parti, varierà con l'ampiezza della sezione, ma soprattutto con l'entità della spinta la quale non sarà mai esattamente determinabile, ma solo approssimativamente deducibile dall'esperienza e dall'osservazione delle deformazioni e delle eventuali rotture delle armature provvisorie di sostegno allo scavo. Per il gran numero di parametri presenti, si dovrà quindi ricorrere, per determinare lo spessore del rivestimento, al calcolo in regime plastico, perché la teoria dell'elasticità non ha riscontro in questo caso.
Fasi di costruzione: generalità sui metodi di attacco
Conclusa la fase preliminare di studio e progetto, si passa alla realizzazione dell'opera. Occorrerà, innanzitutto, organizzare il cantiere, affinché tutte le operazioni in sede di lavoro si possano svolgere agevolmente e nei tempi previsti. L'impianto di cantiere, nel caso di gallerie molto grandi (per esempio Monte Bianco), può costituire un vero e proprio problema urbanistico, per le numerose installazioni e i diversi percorsi necessari; saranno in genere presenti: uffici, alloggi, infermeria, officina meccanica, polveriera, stazione di compressione, di ventilazione, di refrigerazione, di betonaggio, altri impianti per il fabbisogno dei diversi servizi operativi, come scavo e abbattimento delle rocce, sgombero dai materiali (marinaggio), armature provvisorie, trasporti, fornitura e predisposizione di materiali e mezzi d'opera, produzione della forza motrice necessaria, nonché quegli specifici impianti che possono essere richiesti per le particolari esigenze di una determinata opera. La durata dei lavori dipende, evidentemente, dal numero di attacchi (agli imbocchi e intermedi) simultaneamente realizzabili. La natura del suolo, le dimensioni della sezione, i tempi di esecuzione determineranno la scelta del metodo di attacco tra i diversi possibili. L'attacco di una galleria, infatti, può avvenire a piena sezione oppure a sezione parziale. Vi sono inoltre sistemi speciali, richiesti da particolari esigenze dell'opera.
Fasi di costruzione: attacco a piena sezione
È attuabile solo in terreni molto compatti dove l'intera sezione della galleria, per una certa profondità (anello), viene scavata, armata e rivestita nel suo insieme, con contemporaneo, progressivo avanzamento dei tre cantieri di scavo, armatura e muratura . Appartengono a questo tipo di attacco il metodo inglese e quello austriaco. Caratteristica del primo è di presentare diversi piani di attacco, essendo lo scavo realizzato per tagli orizzontali a partire dall'alto. È utilizzabile solo in presenza di rocce resistenti che quasi non necessitino di sostegno, altrimenti diviene troppo complesso. Anche per il secondo metodo lo scavo della sezione viene suddiviso in fasi successive, con esecuzione del rivestimento solo a scavo ultimato. Differisce da quello inglese per il tipo di armature impiegate e per la loro disposizione.
Fasi di costruzione: attacco parziale
Tipo di scavo di origine più antica, nel quale le operazioni di scavo e di rivestimento vengono suddivise nelle singole parti componenti la sezione (calotta, strozzo, piedritti). In tal modo viene ultimata la costruzione di un elemento prima che si proceda all'attacco di un altro, con continua alternanza dei tre cantieri. I differenti metodi di attacco parziale (belga originale, belga misto, italiano, tedesco) ssi distnguono in base alla posizione del cunicolo di avanzamento nella sezione. Il metodo belga originale o in calotta è caratterizzato dall'esecuzione della volta a protezione delle opere successive: si inizia, infatti, con lo scavo della calotta e conseguente costruzione della volta e, solo in seguito, si attaccano strozzo e piedritti. La galleria di avanzamento, situata in calotta e lungo l'asse, ha in genere dimensioni limitate (2,50-3,00 m di larghezza per 2-4 m di altezza) e viene armata a raggiera con il progressivo abbattimento dei fianchi. La volta viene quindi costruita, sia direttamente sul terreno (se resistente), sia su tavole longitudinali di ripartizione della pressione e solo quando è bene indurita si procede al suo disarmo e all'attacco dello strozzo. Terminato lo scavo di questo, si costruiscono i piedritti sotto la volta e da ultimo, eventualmente, l'arco rovescio. Questo metodo, pur presentando l'inconveniente di richiedere la realizzazione di due vie di scarico a diverso livello, ha però il vantaggio di impiegare carpenterie semplici e limitate. La sua applicazione risulta conveniente nell'esecuzione di gallerie non troppo lunghe e in terreni asciutti e consistenti. Nel caso, però, di terreno cedevole, per evitare un possibile abbassamento della volta in corso di esecuzione, occorre apportare alcune modifiche, come la costruzione dei piedritti subito dopo la volta e prima dello strozzo. Il metodo belga misto o a doppia avanzata , è una variante del precedente che si rende necessaria in caso di abbondanti infiltrazioni di acqua. Per far defluire le acque presenti, si scava inizialmente una galleria nello strozzo e da questa si passa poi allo scavo e alla costruzione di calotta e piedritti. Il metodo italiano o in cunetta, vantaggioso in terreni molto spingenti, è caratterizzato dall'attacco in cunetta di strozzo, dalla quale lo scavo viene poi allargato ai piedritti che verranno subito costruiti insieme all'arco rovescio, a creare una difesa contro le spinte laterali e dal basso e, allo stesso tempo, le fondamenta su cui proseguire i lavori di scavo della calotta, del nucleo, dei lati e quindi eseguire la costruzione della volta. Il metodo tedesco o a nucleo centrale, risulta conveniente solo nella realizzazione di gallerie con sezione molto ampia (oltre i 15 m di larghezza) e in terreno molto resistente: consiste infatti nell'attaccare lo scavo alla periferia del vano, per costruire tutta la sezione lasciando intatto il nucleo centrale che sarà abbattuto solo a rivestimento ultimato; lo strozzo viene così a costituire, per la durata dei lavori, un appoggio per i sostegni e per lo scarico. Lo strozzo sarà eliminato solo quando anche la volta è completamente indurita. Questo metodo, che offre buone garanzie di sicurezza contro le spinte laterali, risulta però costoso per la contemporanea avanzata delle tre gallerie e il conseguente moltiplicarsi dei cantieri. L'impiego di metodi speciali (dello scudo, dello scudo ad aria compressa, per affondamento di elementi prefabbricati, con particolari macchine perforatrici) si richiede in presenza di terreni incoerenti o fortemente impregnati di acqua e nelle gallerie sottofluviali. Il metodo dello scudo, inventato dall'ingegnere Marc I. J. Brunel nel 1818, venne impiegato nelle gallerie metropolitane di Londra sotto il Tamigi. Lo scudo consiste in un cassone metallico a sezione cilindrica, con la fronte costituita da sezioni mobili e terminante in un coltello d'acciaio; le sue possibili varianti saranno determinate dalle diverse esigenze di lavoro, consentendo di operare fuori dello scudo, all'interno oppure al di sotto di esso (scudo solo superiore). Il metodo dello scudo con aria compressa si rende necessario quando si incontri una falda acquifera (per esempio gallerie subalvee di New York e Parigi); in questo caso lo scudo è chiuso da porte stagne e l'aria compressa vi determina una camera di lavoro in sovrapressione. L'affondamento ad aria compressa di elementi prefabbricati consiste nel costruire la galleria per sezioni successive e quindi affondarle nel terreno fino al livello voluto, dove saranno poi raccordate; rimane, molto delicato, il problema dei giunti. L'elemento prefabbricato comporterà una camera di lavoro ad aria compressa (per esempio gallerie metropolitane di Parigi, sotto la Senna). Il metodo con macchina perforatrice, a piena sezione, senza esplosivi viene utilizzato in presenza di rocce tenere, attaccandole con le teste rotanti e taglianti di apposite macchine (per esempio tunneler), le quali provvedono anche a raccogliere il materiale di scavo, scaricandolo su un nastro trasportatore superiore.
Problemi tecnici in fase di costruzione
I problemi pratici e comuni da affrontare nella costruzione di una galleria sono lo scavo, il marinaggio, l'armatura provvisoria, il rivestimento, che rappresentano tante fasi successive ma che possono essere realizzate a catena a mano a mano che le precedenti avanzano. Lo scavo è un'operazione realizzabile con diversi mezzi: mentre la presenza di roccia compatta (e l'esecuzione di lavori di una certa importanza) richiede l'impiego di cariche esplosive, per un terreno mediocre (e per un'opera più modesta) è sufficiente l'uso di martelli demolitori o di macchine idonee. L'esplosivo si impiega normalmente per attacchi a sezione piena, nel caso però di sezioni molto grandi si deve attaccare, successivamente, sui due piani, superiore e inferiore. Il principio è di disporre le cariche sulla superficie e di farle esplodere per gruppi successivi, partendo dal centro verso la periferia. Tale schema può comunque variare con il tipo di roccia, la sua stratificazione e l'esplosivo impiegato. Il marinaggio, cioè la rimozione dei detriti dopo la perforazione, può essere effettuato con l'aiuto di macchine come lo scraper, che avanza con il progredire dei lavori spingendo il materiale su una rampa, di dove viene versato nei vagoni; oppure con pale meccaniche, ordinarie o speciali per gallerie, elettriche o ad aria compressa, mobili su rotaia. Il trasporto dei materiali di scavo avverrà poi per via ferrata, con carrelli, con veicoli particolari (camion, dumpers, shuttle cars) o ancora con nastri trasportatori. L'armatura provvisoria, nei suoi tempi e modalità di esecuzione, è sempre determinata dalla natura del terreno. Nel caso di roccia, sono di impiego corrente i sostegni metallici, in genere cerchi, che vengono disposti sulla sola volta o su tutta la sezione, aventi profilo a doppio T e sezione variabile con le dimensioni della galleria e la spinta; nel caso di sezioni molto grandi si possono impiegare strutture più complesse, come riquadri metallici tra loro imbullonati. La distanza tra i cerchi è determinata dalla natura della roccia (intorno a 1,50 m) e vi si possono disporre tavole in cemento armato o lamiere di acciaio che saranno poi incorporate, insieme ai cerchi, nel calcestruzzo di rivestimento. Inoltre, in passaggi particolari, è di recente impiego la tecnica del bullonaggio, in grado di armare la roccia per un certo spessore (per esempio galleria del Monte Bianco). L'impiego di armature di legno è ancora di uso comune per piccole sezioni e in terreni di tipo medio o spingente e sono in genere formate da quadri (composti di soglia, ritti e cappello) posti a una distanza di 0,50-1,50 metri. Il rivestimento, con il suo incidere mediamente del 30% sul costo totale dell'opera, dimostra da solo la propria importanza. Esso deve ristabilire nel terreno, con la sua forma e spessore, quell'equilibrio meccanico che lo scavo ha sconvolto. Lo si realizza per lo più in calcestruzzo, sia gettato in opera, sia sotto forma di elementi prefabbricati e poi saldati con malta di cemento e, secondo il metodo di attacco impiegato, può essere eseguito per intero oppure per parti. La costruzione a piena sezione, specie se in galleria senza sostegni o con sostegni da incorporare nel getto, risulta di esecuzione più semplice e il getto si effettua con casseri metallici, telescopici e spostabili, mentre, nei rivestimenti eseguiti per parti, il limitato spazio di lavoro può portare a una costruzione con materiali diversi (per esempio piedritti in muratura). Ultimato il rivestimento, può essere necessaria l'iniezione di calcestruzzo negli eventuali giunti o vuoti tra rivestimento e terreno.
Problemi tecnici in fase di lavoro ed esercizio
Si tratta di tutta una serie di aspetti che si presentano con caratteristiche diverse, sia in fase di lavoro sia di esercizio. La ventilazione può richiedere, in costruzione, l'impianto di ventilatori centrifughi e di condotte che provvedano sia a ricambiare l'aria sia a mantenerne la temperatura entro limiti ammissibili. In esercizio, invece, il ricambio d'aria viene determinato in base al tenore di ossido di carbonio presente e si può realizzare in diversi modi: longitudinale, trasversale, semitrasversale. La ventilazione longitudinale può essere naturale, per gallerie molto brevi e con poco traffico, per effetto del dislivello termico tra interno ed esterno e per il tiraggio di aria dovuto alla diversa quota degli imbocchi; oppure accelerata (sistema Saccardo) da un ventilatore e da un aspiratore posti rispettivamente ai due imbocchi. La ventilazione trasversale è impiegata nelle grandi gallerie per immissione di aria pura e raccolta di quella viziata attraverso un doppio impianto; in quella semitrasversale, uno dei due circuiti viene soppresso e sostituito dalla sezione stessa della galleria. Il deflusso delle acque, in cantiere, se non avviene naturalmente, si ottiene con l'impiego di pompe; in esercizio, invece, è assicurato dalla presenza di canalizzazioni lungo i piedritti o sotto il piano stradale se la galleria è in contropendenza, mentre in quelle sottofluviali occorre un dispositivo di pompaggio. L'illuminazione è un problema molto importante nelle gallerie autostradali, in quanto deve evitare una brusca riduzione di brillanza agli ingressi. A tale scopo, oltre a un'uniforme illuminazione notturna, se ne avrà anche una diurna, graduata, con valori massimi agli imbocchi (2000 lux) che si riducano verso l'interno.