Galleria ferroviaria di Madonna del Tindari (Messina-Palermo)

Nel settembre del 2001 è stato realizzato un rilievo tridimensionale, con laser scanner 3D Cyrax 2400, della galleria naturale “Madonna del Tindari” nella tratta compresa tra Patti e Terme Vigliatore nell’ambito dei lavori di raddoppio della linea ferroviaria Messina-Palermo.
La finalità del rilievo è stata quella di realizzare un confronto, rapido e con un elevato standard di precisione, tra lo stato di fatto e quello di progetto.
Con questa sperimentazione si è osservato che il monitoraggio morfologico può diventare un ambito sostanziale e necessario delle verifiche strutturali. Con l’applicazione delle tecnologie di rilievo e di restituzione digitale più innovative, è oggi possibile integrare metodologie di rilevamento e di diagnostica strutturale, realizzando un modello di banca-dati 3D, utile anche nelle successive fasi di verifica.

Nel corso dei lavori di costruzione del tunnel si è manifestata una serie di cedimenti che hanno immediatamente richiesto un rilievo morfologico rapido ed accurato, tale da consentire lo sviluppo di quella gran quantità di dati geometrici necessari all’elaborazione di un modello tridimensionale affidabile. Per raggiungere questo scopo si è preferito integrare il rilevo 3D tramite laser scanner a tempo di volo con una rete topografica di appoggio che permettesse di georeferenziare i dati geometrici, velocizzando sia la fase di registrazione delle diverse scansioni che quella di controllo. In circa 10 ore consecutive di lavoro sono state eseguite 13 stazioni di ripresa, 14 scansioni successive sull’intradosso della galleria, acquisendo circa 5.300.000 punti 3D. Le scansioni sono state eseguite mediamente con una maglia di 5 cm; con successive scansioni di raffittimento, eseguite con passi di 1-2 cm, sono state dettagliate le zone in cui erano evidenti lesioni o deformazioni.
La possibilità di entrare nella galleria con un mezzo motorizzato ha consentito  di collocare il furgone contenente l’attrezzatura nei punti di stazione senza scaricare lo scanner. Lasciando sul veicolo la postazione di lavoro sono state velocizzate le operazioni di spostamento capaci spesso di incidere per quasi il 40% sui tempi di esecuzione del rilievo.

La limitazione del campo visivo dello strumento (40° in verticale e orizzontale) non permetteva di eseguire la scansione dell’intera volta della galleria mantenendo l’asse dell’inquadratura orizzontale, se non a distanze prossime al limite di operatività dell’attrezzatura. Si è previsto pertanto di completare il rilievo con una serie di stazioni a pettine sui due lati della galleria, eseguendo un’andata ed un ritorno, puntando lo strumento sul lato opposto a quello di stazionamento.
Il modello elaborato dai dati di scansione della galleria diventa una complessa banca dati di geometrie tridimensionali interrogabile con diversi tools e per specifiche selezioni. È possibile, infatti,  richiedere sezioni trasversali, longitudinali o lungo una qualsiasi direzione ad equidistanze personalizzabili dal centimetro al metro ed oltre (nel caso specifico è stato scelto un passo ogni 10 cm) al fine di costruire confronti tra la fase progettuale e le modificazioni intercorse negli stadi realizzativi.
Per semplificare il risultato delle comparazioni è stato inserito il solido geometrico ideale di progetto nel modello tridimensionale completo del primo tratto rilevato (dall’imbocco fino a 350 metri). Sono apparse subito evidenti le deformazioni subite dalla galleria ed è stato possibile quantificare e quotarle. I risultati ottenuti si sono dimostrati coerenti con quanto verificato a posteriori, con metodologie tradizionali di rilievo. 

La fascia peri-tirrenica della Sicilia nord-orientale ed il prospiciente bacino del Basso Tirreno sono notoriamente sede d’intensi processi geodinamici ancora attivi, che hanno le loro espressioni più evidenti nel frequente verificarsi di disastrosi terremoti. In tale contesto geologico si trova la galleria naturale “Madonna del Tindari” che, nel primo tratto lungo circa 400 m., si sviluppa all’interno di un ammasso costituito da argille scagliose di vari colori dalle caratteristiche meccaniche molto scadenti. Le pessime caratteristiche delle argille attraversate, unitamente alle basse coperture che caratterizzano l’intero tratto, hanno generato, fin dall’inizio dello scavo della galleria naturale (come sopra), condizioni di lavoro molto difficili, vistosi fenomeni di cedimenti e convergenze sia del prerivestimento che del rivestimento definitivo in c.a..
Nonostante il consolidamento messo in atto, hanno continuato a manifestarsi all’interno della galleria evidenti fenomeni di cedimento e convergenza. Per tenere sotto controllo gli abbassamenti della struttura durante il corso dei lavori, sono state realizzate numerose sezioni di controllo topografiche che, attraverso ripetute misure di livellazione geometrica di precisione, hanno consentito di tracciare le curve “cedimenti-tempo” della struttura. Tutte le curve rilevate hanno mostrato un andamento dei cedimenti che, coerentemente con le attese, mostravano di esaurirsi con la realizzazione dell’arco rovescio della galleria tramite jet-grounding.
Il confronto tra la superficie reale rilevata utilizzando il laser scanner 3D e la superficie teorica di progetto ha permesso di costruire sia il profilo longitudinale degli abbassamenti, che le sezioni trasversali raffittite, nelle quali sono state evidenziate le differenze tra la posizione teorica e quella reale del rivestimento. Le indicazioni fondamentali che emergono dal rilievo 3D, in merito alle deformazioni subite dalla galleria, come già è stato detto, sono rigorosamente coerenti con quanto desunto dall’analisi delle misure di livellazione geometrica e, soprattutto, rilevano l’azione di una componente orizzontale nella formazione del campo degli sforzi agenti sull’opera in sotterraneo. Anche dalla modellazione 3D si evince, infatti, con chiarezza, il prevalere degli effetti di subsidenza lungo il fianco settentrionale dell’opera rispetto a quello meridionale, capaci di generare una rotazione della galleria. Si desume, tra le possibili cause, l’azione di una componente orizzontale orientata in direzione grossolanamente meridiana (direzione di massima pendenza del versante). Tale ipotesi è definitivamente confermata dal fatto che i dati di modellazione 3D indicano che la galleria ha subito proprio una traslazione nella stessa direzione, inevitabilmente connessa a sforzi orientati sul piano orizzontale riferibili a processi gravitativi.

Da parte dei progettisti è stata valutata l’opportunità di dotare la galleria di sistemi strumentali che consentano il monitoraggio “continuo” dello stato tensionale e delle deformazioni, e che tale osservazione costante sia protratta anche nella fase di esercizio dell’opera, assumendo il ruolo di presidio di sicurezza. Il sistema di rilevamento e di acquisizione dei dati dovrebbe essere realizzato in modo da poter disporre con continuità delle informazioni necessarie a valutare lo stato tensionale e di deformazione, mediante apparati automatici programmabili nelle loro funzioni e provvisti di requisiti che supportino il controllo tramite operatori remoti. Tra le apparecchiature di misura da impiegare si ricordano: estensimetri a base lunga, celle di pressione, barrette estensimetriche, inclinometri, piezometri. Si ritiene infine che un contributo di fondamentale importanza per l’accertamento dell’assenza nel tempo di futuri spostamenti geometrici dei rivestimenti, possa provenire dall’esecuzione e dal relativo confronto tra i risultati ottenuti da ripetuti rilievi 3D, il primo dei quali da considerare come “condizione di zero” dovrà essere realizzato a lavori ultimati.
La velocità di acquisizione, la rapidità nell’immediata elaborazione ed utilizzazione dei dati geometrici testimoniano la flessibilità di questa tecnica di rilievo diretta alla modellazione tridimensionale delle infrastrutture; ciò consente di programmare un rilievo sistematico durante i lavori e, soprattutto, come dimostra l’esperienza della galleria di Tindari, di eseguire un importante confronto di precisione tra la geometria teorica di progetto e la struttura realmente eseguita. La possibilità di acquisire forme tridimensionali referenziate topograficamente permetterà, in futuro, di realizzare un monitoraggio strumentale per valutare la risposta della struttura durante le normali condizioni di transito ferroviario. Questa  metodica applicativa si dimostrerà probabilmente vincente anche nelle indagini su ponti, viadotti e corsie autostradali.