Il sistema di trasporto ferroviario pubblico nel Sudafrica è oggetto di un ampio ammodernamento. Il collegamento AV del Gautrain è il progetto più importante. Sarà possibile coprire gli 80 km tra Pretoria e Johannesburg in meno di 40 minuti, ad una velocità di 160 km/h. Il treno, trasportando sino a 120.000 viaggiatori al giorno, decongestionerà la trafficata autostrada tra Pretoria e Johannesburg e contribuirà a diminuire le spese di molte persone.
Il progetto Gautrain, valore 20 miliardi di Rand, ha due importanti rami: uno Nord-Sud tra Johannesburg e Pretoria e uno Est-Ovest tra la zona industriale di Sandton e l'aeroporto internazionale di OR Tambo (vedere cartina). L'opera comprende 16 km di tunnel, a singolo e a doppio binario, tra le stazioni di Marlboro e Johannesburg. Lungo il tracciato, oltre alle tre principali stazioni di Johannesburg, OR Tambo e Pretoria, troviamo altre sette stazioni. Tre saranno in sotterraneo, quattro in superficie e le rimanenti sopraelevate. Collegarsi a www.gautrain.co.za
La costruzione di Gautrain è iniziata a Settembre 2006. Due settimane prima della Coppa mondiale FIFA, che inizierà l'11 Giugno 2010, è prevista l'apertura della tratta tra l'aeroporto di OR Tambo e la stazione di Sandton, comprese le due stazioni al suo interno e il centro operativo di Midrand. La durata dei lavori per questa prima fase è di 45 mesi. Questa è una tratta importantissima per l'intera opera, infatti la maggior parte dei tifosi di calcio che visiterà il paese arriverà all'aeroporto di OR Tambo e da qui si dirigerà verso alberghi e case.
La costruzione della seconda fase, comprendente le tratte Sandton-Johannesburg centro e Pretoria-Midrand, è in corso e richiederà nove mesi. I lavori termineranno a Marzo 2011.
Il progetto Gautrain è un'ATI in PPP tra il governo della provincia di Gauteng e la concessionaria Bombela, composta da Bombardier Transportation, Bouygues Travaux Publics, Murray & Roberts e Strategic Partners Group .L'ATI Bombela Civils (CJV) è incaricata della costruzione del progetto ed è composta da Bouygues TP (45%), Murray & Roberts (45%) e Strategic Partnership Group (10%). Cliccare za/11. Collegarsi a www.bouygues-construction.com e a www.murrob.com.

Geologia e idrogeologia
L'estremità meridionale del tunnel si trova a Johannesburg ed è situata in una sequenza di terreni sedimentari (formazione di Witwatersrand, dove si trova l'oro in Sud Africa) formata da uno strato spesso e inclinato di scisti, quarziti e conglomerati, che caratterizza 2.900 m di tunnel e costituisce il 18% del materiale scavato. Il livello di falda è a 10-40 m sopra la calotta del tunnel. Gli altri tunnel sono scavati in un complesso granitico che forma un affioramento quasi circolare tra Johannesburg e Pretoria. A seconda della profondità del tunnel, si trova granito alterato altamente o completamente disgregato nella zona di Rosebank e moderatamente disgregato o sano nei dintorni di Sandton e Marlboro.
Nel granito, il livello di falda è a 10-30 m sopra la volta. Localmente, l'idrogeologia viene modificata da faglie e dischi, generalmente associati grande venute d'acqua come nella zona di Sandton o come tra Park e il pozzo di emergenza E2.
Metodologie applicate
La maggior parte degli scavi è effettuata con il drill&blast, tranne in una tratta di 3 km con terreni sciolti e saturi d'acqua dove si utilizzerà una TBM e in una tratta di 1 km con rocce disgregate dove si impiegheranno gli infilaggi. Nel cantiere del tunnel nord di Rosebank si è optato per un escavatore ITC 312 con nastro caricatore, più adatto per lo scavo in graniti disgregati. Collegarsi a www.itcsa.com
Drill & blast
La lunghezza totale dei tunnel, escluse le stazioni e le tratte in cut&cover, è di 16.172 m, di cui 13.295 m scavati con drill&blast (5.864 m a doppio binario e 7.431 m a singolo binario) e con una sezione a ferro di cavallo. Il tunnel a singolo binario ha una sezione di 6 m x 6 m (altezza) con una sezione media di scavo pari a 35 m² ed è dotato di un passaggio pedonale laterale. Il tunnel a doppio binario ha una sezione di 10,8 m x 6,2 m (altezza) con un muro centrale di divisione e un passaggio pedonale su entrambi i lati.
I tunnel si scavano da nove diversi punti di accesso, per rispettare il cronoprogramma che prevede l'apertura della tratta tra Sandton e l'aeroporto prima della Coppa del Mondo di calcio a Giugno 2010 e della parte restante di linea, 8 mesi dopo. La sezione in sotterraneo comprende tre stazioni in profondità (Park, Rosebank e Sandton), sette pozzi di emergenza (a 16-85 m di profondità) e un pozzo principale temporaneo di costruzione (Mushroom Farm Park). La copertura sopra la volta del tunnel varia tra 15 m e 100 m.
In totale sono 12 di fronti di scavo del tunnel realizzato con metodo drill&blast e lungo 13.295 m.

Stazione Park	1 fronte	Tunnel a binario singolo
Pozzo E2	2 fronti	Tunnel a binario singolo
Rosebank Nord	1 fronte	Tunnel a binario singolo
Pozzo E5	1 fronte	Tunnel a binario singolo
Sandton Sud	2 fronti	Tunnel a binario singolo
		Tunnel a doppio binario
Caverna principale della stazione di Sandton	1 fronte verso Nord
Mushroom Sud	2 fronti	Tunnel a binario singolo
		Tunnel a doppio binario
Mushroom Nord	1 fronte	Tunnel a doppio binario
Marlboro	1 fronte	Tunnel a doppio binario

Tunnel a binario singolo
Ogni fronte è dotato del proprio parco macchine, comprendente:

• un jumbo Robofore completamente computerizzato (due bracci per la perforazione di 4 m al fronte e per il posizionamento dei bulloni). Robodrill ha fornito sei jumbo simili, computerizzati e con due bracci, su un totale di 17 per il progetto. Collegarsi a www.robodrill-sa.com
• un LHD GHH 6.3 con pala caricatrice laterale (capacità 2 m³). GHH ha fornito quattro LHD simili per il progetto. Collegarsi a www.ghh-fahrzeuge.de
• un escavatore da tunnel CAT 314 con un braccio corto appositamente progettato per disgaggi e scavi nei terreni sciolti, equipaggiato con pala o martello. CAT ha fornito sei escavatori di questo tipo. Collegarsi a www.cat.com
• una pompa per lo shotcrete Putzmeister PM 407. Putzmeister ha fornito otto macchine similari. Collegarsi a www.putzmeister.com
• versatili camion-dumper Paus 10000 (20 t) equipaggiati con pala da 10 m³ e con betoniera da 5 m³. ITC è in società con Paus e ha fornito 35 dumper e 20 betoniere per il progetto. Collegarsi a www.paus.de
• una Normet Himec 9915 con l'erettore delle centine. Per il progetto sono stati utilizzati 8 di questi macchinari. Collegarsi a www.normet.fi

Tunnel a doppio binario

• un jumbo Robofore completamente computerizzato (tre bracci per perforazioni di 6 m al fronte) e un jumbo Pantofore (due bracci e pala per perforazioni di 4 m per il posizionamento dei bulloni). Robodrill ha fornito due jumbo Roborfore e due Pantofore. Per gli altri lavori, come lo scavo dei pozzi, sono stati forniti sette jumbo Pantofore mono-braccio
• un caricatore CAT 972, 966 o 938 laterale (su un totale di 14 unità)
• un escavatore CAT 323 per lo smaltimento dello smarino (su quattro unità)
• un escavatore per gallerie CAT 320 (su un totale di sei unità)
• una pompa per lo shotcrete Putzmeister PM 500 (due somministrazioni)
• una Normet Himec 9915 con l'erettore delle centine (su otto unità)

Equipaggiamento di sollevamento per i tunnel a singolo e doppio binario
Quattro cantieri sono dotati di gru a ponte da 30-40 t fornite da Morris South Africa. Tre cantieri sono equipaggiati con gru cingolate Liebherr da 100-130 t. I pozzi di emergenza sono equipaggiati con una gru mobile Terex AC100 da 10 t. Le opere civili e le stazioni usano 11 gru torre Liebherr 200 ECH 10 o 200 ECH 12 o 16. Collegarsi a www.morris.co.za, www.liebherr.com e a www.terex-cranes.com.
Rinforzo della roccia
Il sostegno iniziale prevede shotcrete e ancoraggi o centine in funzione della classe di sostegno necessaria, mentre il rivestimento finale sarà di shotcrete. Il supporto finale del tunnel consiste nella combinazione del rivestimento primario e secondario. Prima dello scavo, dove necessario, si riduce la permeabilità dei terreni, Si è deciso di posizionare i drenaggi all'interno del supporto finale del tunnel, per fronteggiare adeguatamente l'acqua freatica riscontrata durante lo scavo.
La costruzione procede con la seguente sequenza: brillamento, raccolta e smaltimento smarino, classificazione della roccia e bullonatura puntuale degli elementi instabili; rivestimento primario in shotcrete, bullonatura, successivo ciclo di scavo, grouting dei bulloni, installazione dei drenaggi e rivestimento secondario.
I bulloni, da 20 mm di diametro, sono DCP fabbricati da Dywidag-Systems International (DSI) . Sono realizzati con uno speciale acciaio ad alta resistenza e hanno al loro interno un elemento espansivo (per l'immediata entrata in tensione), un rivestimento di HDPE per la protezione dalla corrosione dell'ancoraggio su tutta la sua lunghezza e un sistema di iniezione. Cliccare qui per ulteriori informazioni sull'ancoraggio. Collegarsi a www.dywidag-systems.com
Nelle zone con terreni di scarsa qualità, il sostegno primario prevede, se necessario, l'impiego di centine a traliccio e infilaggi. Al posto dei chiodi da roccia, si utilizzano infilaggi con 114 m di diametro e centine TH-29. Il calcestruzzo è armato con fibre di polipropilene da 25 MPa. La progettazione del sostegno è stata effettuata ipotizzando un tunnel drenato.
L'avanzamento medio di scavo in drill&blast è molto alto (40-45 m/settimana nei tunnel a doppio binario e 30-35 m/settimana nei tunnel a binario singolo). Il 24 Settembre 2008 è stato abbattuto il primo diaframma, formando così un unico tunnel a doppio binario e lungo 4.215 m, tra Mushroom Farm Park e Malboro. L'avanzamento a fine Settembre 2008 era il seguente:

Zona di scavo	Metri scavati
Da stazione Park al pozzo di emergenza E2	693 m
Da stazione Rosebank al pozzo E2 (TBM)	2.233 m
Da stazione Rosebank al pozzo E5	475 m
Da pozzo E5 sino a Sandton	1.021 m
Da Sandton a E7	165 m
Da Mushroom Farm Park a Sandton - doppio binario	470 m
Da Mushroom Farm Park a Sandton - singolo binario	644 m
Da Mushroom Farm Park a Marlboro - doppio binario	1.487 m
Da Marlboro a Mushroom Farm Park - doppio binario	2.728 m
Totale	9.916 m

Zona di scavo	Inizio lavori	Data prevista caduta
Da Park verso E1 (1.626 m)	15/08/2007	30/09/2009
E2 verso E1 (707 m)	09/06/2008	30/09/2009
E2 verso TBM (220 m)	10/11/2008	05/03/2009
Rosebank TBM verso E2 (2.827 m)	02/01/2008	13/12/2009
Rosebank Nord (745 m)	10/09/2007	28/02/2009
Da E5 a E7 (2.382 m)	01/09/2007	31/08/2009
Sandton Sud (1.029 m)	01/02/2008	10/09/2009
Caverna di Sandton (82 m)	01/02/2008	31/08/2008
Piccola caverna di Sandton (167 m)	01/05/2008	31/07/2008
Da Mushroom a Sandton, singolo binario (449 m)	15/07/2007	01/05/2008
Da Mushroom a Sandton, doppio binario (503 m)	15/07/2007	31/10/2008
Da Sandton Sud a E7 (340 m)	07/06/2008	10/05/2009
Da Mushroom Nord a Marlboro (1.487 m)	01/06/2007	10/10/2008
Da Marlboro a Mushroom (2.728 m)	01/04/2007	05/10/2008

TBM
La TBM EPB da 325 t, battezzata con il nome di Imbokodo (roccia in Zulu) e dotata di un back-up di 560 t, è stata appositamente costruita da Herrenknecht in 12 mesi, al costo di 300 milioni di Rand. La TBM lunga 160 m, compresi i 12 m di scudo, ha una testa fresante con 6,81 m di diametro, equipaggiata con 150 taglienti per terreni sciolti. Per lo scavo nella roccia dura la dotazione prevede 45 cutter singoli e quattro cutter doppi. La TBM ha una spinta di 4.070 t prodotta da sette motori con una potenza totale di 2.450 kW . La TBM, per il suo funzionamento, necessita di una potenza di 3,2 MW ed ha una propria sottostazione elettrica. Collegarsi a www.herrenknecht.com.
La TBM aveva iniziato lo scavo della tratta di Rosebank,a nord di Johannesburg, a Gennaio 2008 e, a fine Settembre aveva scavato 2.233 m nel sottosuolo verso la stazione Park. La geologia in questa zona presenta un alto livello di falda freatica e percentuali diverse di rocce dure, arenarie e terreni saturi. La TBM può scavare 80 mm/min di roccia, che equivale in media a 11 m di tunnel al giorno. La durata prevista dello scavo con TBM è di circa 14 mesi.
La TBM è guidata da un tecnico, all'interno di una cabina situata nella prima parte del back-up. La camera di controllo è dotata di sistema computerizzato di controllo e di guida, con schermi che mostrano in tempo reale lo stato dei diversi sottosistemi, come la pressione della TBM, la velocità di rotazione della testa e la posizione dello scudo. Le telecamere a circuito chiuso installate davanti alla testa fresante permettono al personale di controllare la stabilità del fronte. Il pilota, ricevendo continue informazioni dai diversi sistemi, è in grado di guidare la TBM, verificandone in tempo reale la posizione effettiva, lungo tutto il tunnel, rispetto al tracciato teorico. La TBM lavora 24 ore al giorno con una pausa di 3 ore per la manutenzione.
Dietro la testa fresante si trova la camera dove si accumula lo smarino, prima della sua estrazione con un trasportatore a coclea. Lo smarino è quindi trasportato con un nastro trasportatore fabbricato da Marti Technik sino al pozzo sud di Rosebank, da dove viene smaltito con camion. Il nastro si estende con l'avanzamento della TBM, sino ad arrivare ad una lunghezza complessiva di 3 km ed è progettato per trasportare 450 t/ora. Collegarsi a www.martitechnik.ch
La TBM può lavorare in due modi, modalità aperta e chiusa. In modalità aperta, la TBM può lavorare come una TBM da roccia dura convenzionale, frantumando il fronte di roccia con i taglienti. La roccia scavata è quindi raccolta con le benne e portata all'inte
rno della testa fresante e quindi riversata su un nastro trasportatore. La TBM può passare a lavorare in modalità chiusa nel caso in cui si imbatta, durante lo scavo, in terreni disgregati e materiali sciolti.
In modalità chiusa, la TBM è in grado di operare in entrambe le submodalità (EPB o aria compressa). In modalità EPB, la pressione esercitata dai terreni al fronte si compensa con la pressione esercitata dallo smarino nella camera della testa fresante. In modalità con aria compressa, la pressione della falda freatica è compensata dalla testa fresante riempita solo parzialmente di smarino e dalla pressione dell'aria contenuta nella zona superiore della testa fresante. In terreni con abbondante presenza di acqua, è necessario applicare l'aria compressa al fronte, per prevenire l'abbassamento del livello della falda freatica. La pressione dell'aria compressa evita l'infiltrazione dell'acqua nel tunnel e il collasso della galleria.
Il tunnel ha un diametro interno di 5.860 m ed esterno di 6.460 m, con uno spessore del rivestimento in conci di 300 mm.
Il rivestimento permanente, 17.400 conci di calcestruzzo, è posato in opera durante l'avanzamento della TBM, grazie ad un sofisticato erettore di conci interno allo scudo. L'erettore, all'interno della coda dello scudo, posiziona i conci prefabbricati a formare un anello completo. Un anello è composto da una chiave di 2 t e da 5 conci di 4,1 t e larghi 1,5 m (tre normali e due per il posizionamento della chiave). Una volta installati i conci, si provvede al loro ancoraggio. La chiave chiude l'anello.
I conci prefabbricati sono prodotti da Southern Pipeline Contractors (SPC) nello stabilimento a circa 25 km ad est di Johannesburg. Nel procedimento di fabbricazione dei conci si utilizza un super-plastificante fornito da Chryso. Il consorzio Bombela, ha assegnato a SPC, appartenente al gruppo francese Vinci, un contratto triennale per la fabbricazione dei conci. Chryso ha effettuato diverse analisi di laboratorio, per ottimizzare la formula del calcestruzzo. Il super-plastificante Premia 100 New Generation, è uno dei principali componenti del calcestruzzo, che contiene anche ceneri volatili, scorie di alto forno, e cemento Portland ordinario. Premia 100 ha un ruolo importante nella riduzione della quantità d'acqua contenuta nella miscela, permettendo così resistenze superiori. Nelle specifiche di costruzione dei conci si chiede un calcestruzzo con una resistenza alla compressione pari a 55 MPa. La composizione del calcestruzzo è stata stabilita da Bombela e SPC, per la realizzazione di conci prefabbricati da utilizzarsi per il rivestimento del tunnel. Collegarsi a www.spc.co.za e a www.chryso.com
Per assicurare l'impermeabilità del rivestimento, si applica una guarnizione perimetrale su ogni concio. Per approfondimenti sulla sezione di Gautrain, scavata con TBM, cliccare qui.

Difficoltà incontrate
La dimensione del progetto e la serrata programmazione per aprire la linea tra le stazioni OR Tambo e Sandton, a soli 45 mesi dall'inizio dei lavori della prima fase e 54 mesi per la seconda fase, sono le principali sfide del Gautrain.
L'ATI Bombela ha deciso di aumentare la propria capacità, ha acquistato equipaggiamento supplementare e ha aperto pozzi aggiuntivi. La costruzione del tunnel avviene da nove accessi e 12 fronti, in modo da rispettare il cronoprogramma per l'apertura al traffico del progetto, malgrado alcuni ritardi. Tra i motivi di ritardo la difficoltà di gestire 43 cantieri aperti contemporaneamente, l'aver trovato un fiume sotterraneo vicino alla stazione Park, la geologia disomogenea del Sud Africa e la difficoltà di reperire personale qualificato locale. E' stato organizzato un programma intensivo di formazione per trovare il personale necessario. Il fatto di avere oltre il 90% della forza lavoro locale, permette di fronteggiare le necessità del progetto e di sostenere lo sviluppo socio-economico della provincia di Gauteng.
Difficoltà esterne, come l'attuale crisi energetica o la disponibilità di energia nel futuro, sono preoccupazioni aggiuntive.
La costruzione del tunnel sotto Johannesburg obbliga a ridurre il più possibile il disturbo alla popolazione (attenuazione del rumore intorno ai cantieri ) e l'impatto delle interruzioni di circolazione. Le vibrazioni dovute alle esplosioni e i cedimenti intorno agli edifici e ai cantieri sono monitorati 24 ore su 24.
L'utilizzo di diverse tecniche per lo scavo del tunnel (drill&blast, scavo in terreni sciolti con volte ad ombrello di infilaggi e TBM) è una grande difficoltà, poiché ogni metodo ha le proprie peculiarità e richiede personale specializzato. La sezione del tunnel a singolo binario è troppo piccola per utilizzare gli equipaggiamenti disponibili normalmente sul mercato. Gli equipaggiamenti sono larghi almeno 2 m e per la maggior parte fabbricati su ordinazione.
Ulteriore tema da considerare sono le condizioni difficili del terreno. Lo scavo avanza molto lentamente nelle zone con bassa copertura e in granito completamente decomposto sotto il livello di falda del Rosebank settentrionale. I principali dicchi si sono incontrati nei pressi della stazione Sandton, con terreni molto poveri e con infiltrazioni di acqua oppure molto duri (sino a 400 MPa).
I terreni sono molto fratturati ed è stata segnalata un'importante infiltrazione tra la stazione Park e il pozzo E2. Il 9 Luglio il terreno ha ceduto sulla via Oxford di Rosebank, a nord di Johannesburg. Il cedimento è avvenuto come conseguenza della mancanza di terreno sopra la TBM che normalmente si trova a 12 m di profondità. Non si registrano vittime, danni alla TBM o al tunnel già realizzato. Il crollo non influirà in modo significativo sul cronoprogramma. La zona coinvolta non fa parte della tratta che dovrà essere pronta per la Coppa del Mondo del 2010 e il cui completamento è previsto per Marzo 2011. Cliccare qui per approfondimenti.
Stazioni in sotterraneo
La costruzione delle due stazioni in sotterraneo di Park e Rosebank segue il medesimo principio. Si tratta di strutture a cielo aperto, realizzate con paratie a Park e all'interno di pareti di pali a Rosebank. I due binari del treno e le piattaforme per i passeggeri si trovano al piano inferiore. Le sale macchine, l'entrata dei passeggeri e la biglietteria sono all'entrata. Il tetto del terzo piano chiude la stazione e sarà coperto con 2-5 m di materiale per ripristinare le strade e il livello del terreno come erano prima della costruzione
Le due stazioni misurano 165 m x 20 m e sono entrambe collegate al tunnel tramite tratte in cut&cover: Park nord con 70 m di tunnel in cut&cover, misure 10 m x 20 m, Rosebank sud con 72 m di tunnel in cut&cover, misure 6 x 10 m; Rosebank nord con 193 m di tunnel in cut&cover, misure 6 x 6 m. Vicino alle stazioni, saranno inoltre costruiti parcheggi per le auto a Park (8 piani) e a Rosebank. (3 piani).
La stazione di Sandton è una stazione sotterranea con tre binari e tre piattaforme per i passeggeri. La sua costruzione avviene da due pozzi principali: il pozzo sud, 22 m x 20 m x 55 m di profondità e il pozzo nord 60 m x 22 m x 50 m di profondità. Entrambi i pozzi sono collegati tramite una caverna di 10 m x 10 m x 85 m che comprende due binari con 5 m di altezza. Un'altra caverna a singolo binario, misure 8 m x 8 m, è collegata alla caverna principale tramite 5 by-pass. Il pozzo nord sarà utilizzato per l'entrata passeggeri e il pozzo sud come sala macchine. Di fianco alla stazione sarà costruito un parcheggio sotterraneo.
Pozzi
Per ragioni di sicurezza, nel tratto a binario unico, il tunnel è collegato alla superficie ogni chilometro tramite i pozzi di emergenza (da E1 a E7):

• il pozzo meridionale E1 ha un diametro finito di 5,25 m, una profondità di 80 m ed è realizzato con metodo drill&blast in scisti e quarziti.
• il pozzo E2 è stato allargato sino a 9 m di diametro per consentire le operazioni di perforazione del tunnel. E' profondo 50 m ed è stato scavato con centine e piastre di acciaio nella sezione superiore di terreni sciolti e con il metodo drill&blast nella sezione inferiore di quarzite.
• i pozzi E3 ed E4 sono collegati al tunnel scavato con TBM. Hanno 9,5 m di diametro e sono profondi rispettivamente 21 m e 16 m. Sono scavati in granito decomposto e sotto il livello di faglia nel caso di E3. Per la costruzione del pozzo E3 è stato necessario abbassare il livello della falda freatica.
• il pozzo E5, come l'E2, è stato allargato sino a 9 m di diametro per consentire lo scavo. E' profondo 60 m e scavato con metodo drill&bast nel granito.
• il pozzo E6 ha 6 m di diametro, è profondo 73 m ed è scavato nel granito con il metodo raise boring.
• Il pozzo E7, come l'E2 e l'E5, è stato allargato sino a 9 m di diametro (per le operazioni di scavo) ed è profondo 66 m. E' realizzato con il metodo drill&blast nel granito.

Mushroom è un pozzo temporaneo rettangolare (12,60 m x 22 m x 38 m di profondità) per lo scavo verso Sandton e Marlboro e sarà riempito a lavori terminati. Vedere le foto qui. Il portale di Marlboro è collegato ad una sezione in cut&cover lunga 78 m e ospiterà le sale impianti e di ventilazione. 43/08

Tunnelbuilder ringrazia Nareen Poonjala e Stéphane Polycarpe per il loro contributo a questo articolo e per le immagini.