Consolidamento dei terreni mediante congelamento artificiale: il caso della stazione Fori Imperiali della Metro C di Roma

I dati di monitoraggio raccolti durante il campo prova di congelamento artificiale dei terreni, realizzato presso la futura stazione Fori Imperiali – Colosseo nel contesto della costruzione della Metro C, hanno costituito il fulcro di questo studio.

L’ interpretazione di tali dati, supportata da simulazioni numeriche, ha permesso di ottenere una visione approfondita del processo di congelamento nei terreni stratificati del centro storico di Roma.

Tecnica del congelamento artificiale dei terreni

Il congelamento artificiale dei terreni (in inglese Artificial Ground Freezing o AGF) è una tecnica utilizzata per impermeabilizzare e consolidare il terreno durante scavi in sotterraneo.

Questa metodologia trova applicazione principalmente in terreni sciolti o rocce fratturate sotto falda, ed è impiegata per la costruzione di gallerie, pozzi, cunicoli, etc. (Cap. 6, Andersland & Landanyi, 2004).

Il terreno congelato, oltre a un notevolmente miglioramento delle proprietà meccaniche in termini di rigidezza e resistenza, diventa pressoché impermeabile, trasformandosi temporaneamente in una roccia.

La tecnica consiste nell’installazione di sonde congelanti intorno alla sezione da scavare che vengono attivate mediante la circolazione di un fluido refrigerante.

Questo processo induce un abbassamento della temperatura del terreno circostante alle sonde e la progressiva trasformazione dell’acqua interstiziale in ghiaccio.

Lo scavo viene avviato quando il volume di terreno congelato attorno alla sezione di scavo raggiunge uno spessore di progetto (e.g., ~1 m), sufficientemente stabile e impermeabile da garantire la sicurezza.

Solo dopo il completamento delle operazioni di scavo e l’applicazione del rivestimento definitivo, il flusso del fluido refrigerante viene interrotto, consentendo al terreno di scongelarsi naturalmente.

La tecnica dell’AGF può essere di due tipologie, in base al fluido refrigerante adottato (Orth & Muller, 2013; Alzoubi et al., 2020):

• a salamoia
• o ad azoto liquido.

Nel caso della salamoia, il sistema è a circuito chiuso: il fluido viene raffreddato da un sistema frigorifero fino a temperature di esercizio di circa -30°C, come illustrato in Figura 1.

L’utilizzo di azoto liquido, invece, permette di raggiungere temperature di esercizio decisamente inferiori, poiché l’azoto rimane in stato liquido a pressioni atmosferiche solo per temperature al di sotto di -196°C. In questo caso, il circuito è aperto: al termine della circolazione all’interno delle sonde, l’azoto viene rilasciato in atmosfera sotto forma di gas.

Rispetto al congelamento in salamoia, l’utilizzo dell’azoto liquido offre dei vantaggi, come una più rapida installazione e semplificazione dell’organizzazione del cantiere, poiché non richiede motori frigoriferi, pompe di circolazione, o altre apparecchiature.

Inoltre, le temperature estremamente basse permettono di accelerare il processo di congelamento, garantendo un più rapido raggiungimento del volume di terreno congelato previsto dal progetto e una gestione più efficace delle emergenze. Tuttavia, il sistema con azoto liquido comporta costi operativi più elevati, motivo per cui il congelamento a salamoia rimane preferibile per applicazioni di lunga durata e su scala più estesa.

Caso studio: stazione di Fori Imperiali - Colosseo

La Linea C della metropolitana di Roma, una volta completata, avrà una lunghezza totale di 26 km con 29 stazioni, e attraverserà in centro della città da nord-ovest a sud-est, intersecando le linee esistenti A e B in due punti. Attualmente, sono operativi 19 km di linea e 22 stazioni. In costruzione è la tratta T3, che attraversa il centro storico di Roma. L’apertura al pubblico delle stazioni di Porta Metronia e Colosseo-Fori Imperiali è imminente, mentre i lavori per la stazione di Piazza Venezia sono appena iniziati. Queste tre stazioni si trovano in una zona di inestimabile valore archeologico, storico e artistico, e la loro progettazione e realizzazione ha dovuto affrontare sfide continue, legate alla presenza di resti archeologici, alla complessa stratigrafia dei terreni e agli scavi in condizioni di elevati battenti idraulici. Tali difficoltà richiedono soluzioni progettuali e costruttive specifiche, volte a minimizzare l’impatto sia sull’eredità storico-monumentale, sia sulle attività e i servizi presenti in superficie.

La stazione di Fori Imperiali-Colosseo rappresenta uno snodo strategico della Metro C. Oltre a trovarsi in una delle aree monumentali più visitate al mondo, funge anche da punto di interscambio con la Metro B, come illustrato in Figura 2.

Il corpo stazione è situato lungo via dei Fori Imperiali, tra il complesso archeologico del Colosseo (1) e della Basilica di Massenzio (2). A causa dei vincoli imposti dalle preesistenze archeologiche, la stazione presenta una pianta irregolare, con una lunghezza massima di 150 m e una larghezza massima di 34 m.

La stazione è stata scavata con la tecnica top-down, all’interno di diaframmi perimetrali di 1.2 m di spessore e 48 m di profondità. Le due gallerie, destinate a ospitare il binario pari e dispari della Metro C, sono state realizzate mediante macchina TBM (Tunnel Boring Machine) prima della realizzazione del corpo stazione. Il piano del ferro si trova a circa 32 m di profondità rispetto al piano campagna. A questa quota, l’estensione del corpo stazione, indicata in verde nella pianta di Figura 2, risulta fortemente limitata nella parte nord a causa delle preesistenze archeologiche.

Di conseguenza, è stato necessario ampliare la sezione della galleria a nord (area evidenziata in blu in Figura 2) per ospitare i 110 m di banchina richiesti. Nella zona del centro storico di Roma, la stratigrafia è principalmente costituita da uno strato di sabbia limosa (Tb1a) fino a circa 27 m di profondità dal piano campagna, caratterizzato da lenti argillose discontinue e da una significativa variabilità spaziale sia verticale sia orizzontale.

Sotto questo strato si trovano circa 8 m di sabbia e ghiaia (SG), e, a partire da una profondità di 35 m, il deposito di base del sottosuolo romano, costituito da argilla dura e sovraconsolidata (APL). Le misure piezometriche indicano che la falda, in condizioni praticamente idrostatiche, si trova nello strato di Tb1a a circa 9 m di profondità dal piano campagna. Gli scavi di allargo sono stati realizzati in terreni incoerenti (Tb1a e SG) sotto falda con metodi tradizionali.

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