2 Caratteristiche tecniche delle linee AV/AC
2.1 Premesse
Le nuove linee veloci sono costruite secondo i più avanzati standard tecnologici, per consentire le migliori prestazioni in termini di sicurezza, di velocità e di interoperabilità con le principali direttrici ferroviarie esistenti e con le linee europee ad Alta Velocità di trasporto sia passeggeri che merci.
In particolare sono state adottate tecnologie e infrastrutture avanzate per il controllo automatico della circolazione dei treni e per la sicurezza in galleria; un sistema di alimentazione elettrica che consente maggiore potenza di trasporto e minimizzazione dell'impatto sull'ambiente; pendenze e raggi di curvatura del tracciato funzionali a velocizzare la circolazione dei treni; opere civili (viadotti, gallerie, trincee e rilevati) tali da garantire il migliore inserimento della nuova infrastruttura nel territorio (Tabella 2.1-1).
Tipo traffico Misto (passeggeri e merci)
Velocità max della linea 300 km/h (*)
Raggio minimo di curvatura 5.450 m
Pendenza max allo scoperto 18‰ (**)
Pendenza max in galleria 15‰
Sopraelevazione max in curva 105 mm
Raggio min raccordi altimetrici 20 km
Carico max per asse 25 t
Lunghezza della sede 13,6 m
Interasse tra i binari 4,5-5 m
Sezione gallerie naturali 82 m2
Sezione gallerie artificiali 100 m2
Alimentazione nuove linee 25 kV c.a. 50 Hz
Alimentazione tratti penetrazione urbana 3 kV c.c.
(*) ad eccezione del tratto Firenze Rifredi e di un tratto nella provincia di Modena (**) ad eccezione di due tratti della Roma – Napoli al 21‰
Le linee veloci sono realizzate con caratteristiche tecniche adeguate all’esercizio misto (passeggeri e merci). In particolare, i valori prefissati dei parametri geometrici del tracciato (raggio di curvatura minimo, pendenza massima, sopraelevazione massima e scartamento), dei carichi massimi e della sagoma limite, le rendono perfettamente compatibili con il materiale rotabile in circolazione sulle linee esistenti, sia per il servizio passeggeri che per il trasporto delle merci leggere e pesanti, e con il materiale rotabile destinato anche alla circolazione sulla rete AV europea.
2.2 La sovrastruttura ferroviaria
Una linea ferroviaria risulta costituita da una sovrastruttura ferroviaria sostenuta da un corpo stradale (Figura 2.2-1).
La sovrastruttura ferroviaria è di norma composta:
- dalle rotaie, che insieme alle traverse, su cui vengono fissate mediante opportuni organi di attacco, e agli apparecchi di deviazione (deviatoi) costituiscono il binario (armamento);
- da uno strato di pietrisco che prende il nome di massicciata (ballast) che sostiene l’armamento. Il corpo stradale è a sua volta formato:
- dalla sede stradale, realizzata su rilevati o su altre opere d’arte, la cui parte superiore è detta
piattaforma stradale;
- dalle opere d’arte, quali rilevati, viadotti, ponti, gallerie , nonché muri di sostegno; - dalle opere d’arte minori e di protezione, quali ponticelli, cunette e fosse di guardia.
Figura 2.2-1 Nomenclatura della sede ferroviaria
La rotaia è un profilato di acciaio, di sezione opportunamente sagomata, che ha la funzione di sostegno e di guida delle ruote dei rotabili ferroviari. In Figura 2.2-2 si riporta la sezione tipica della rotaia del tipo Vignole, con indicazione dei principali elementi che la costituiscono.
Figura 2.2-2 Nomenclatura della rotaia
La classificazione delle rotaie viene fatta in base alla loro massa per metro lineare: si parla così di armamento da 46 o da 60, intendendo che si tratta di un armamento che ha rotaie che hanno massa rispettivamente di 46 o 60 kg/m. In genere si chiamano leggeri gli armamenti con rotaie di peso fino a 46 kg/m e pesanti quelli con rotaie di pesi superiori.
Gli armamenti adottati sulle linee AV sono del tipo 60 UNI, con rotaie da 60,36 kg/m, uno degli armamenti più pesanti usati nel mondo.
I primi armamenti vennero costruiti con rotaie da 9 o da 12 m: tale lunghezza venne fissata in funzione della massima dilatazione ammissibile. L’escursione massima di temperatura che viene normalmente presa in esame è dell’ordine di 70° (considerando che, mediamente, le minime e le massime temperature raggiungibili sono -10° e +60°), pertanto la variazione di lunghezza di una rotaia di 12 m è di circa 10 mm e ciò implica che già con rotaie di 12 m la luce da lasciare nei giunti si avvicina al valore massimo, fissato nelle FS in 14 mm, compatibile con una buona marcia dei treni. Con l’introduzione degli attacchi indiretti, che assicurano vincolo e quindi maggiore resistenza allo scorrimento, fu possibile eliminare la necessità di lasciare luci di dilatazione pari a tutto l’allungamento libero delle rotaie. Si ebbero così armamenti a dilatazione vincolata, nei quali fu possibile montare rotaie man mano più lunghe fino a giungere alla completa saldatura delle rotaie tra due stazioni successive, realizzando la cosiddetta lunga rotaia saldata (LRS).
Negli anni più recenti si è giunti a saldare in acciaieria rotaie in barre fino a 144 m; dette rotaie sono state introdotte anche in Italia per le nuove linee AV e consentono naturalmente la realizzazione di binari con il minor numero di saldature.
La massicciata, realizzata in pietrisco da frantumazione di rocce tenaci, viene interposta tra corpo stradale ed armamento per assolvere ai seguenti compiti:
- distribuire i carichi verticali sul piano di regolamento del corpo stradale;
- consentire la correzione dei difetti di geometria indotti dai carichi dinamici e da eventuali piccole alterazioni del corpo stradale;
- contribuire, assieme all’armamento, all’assorbimento dei molteplici sforzi (verticali, longitudinali e trasversali) connessi con la circolazione treni e con le alterazioni termiche;
- conferire al binario elasticità;
- costituire un drenaggio delle acque meteoriche.
Lo spessore minimo della massicciata, garantito al di sotto delle rotaie, è di 50 cm per le linee più importanti (dette del tipo A) e di soli 35 cm per le linee meno importanti (tipo B).
Le traverse hanno lo scopo di collegare trasversalmente le due file di rotaie, assicurando lo scartamento, e di distribuire sul pietrisco lo sforzo trasmesso sulle rotaie. A mezzo di esse l’armamento risulta incastrato e vincolato nella massicciata e quindi ancorato al piano di regolamento.
Nei moderni tipi di armamento, con attacchi indiretti, che non ammettono scorrimenti e con lunghe campate di saldatura, le traverse hanno anche lo scopo di tenere frenate le rotaie impedendone gli scorrimenti dovuti alle dilatazioni termiche ed ai continui e prolungati sforzi unidirezionali di avviamento e frenatura. Le traverse inizialmente più usate furono le traverse in legno, che presentavano il vantaggio dell’elevata elasticità, dell’alta resistenza agli sforzi dinamici istantanei e del peso relativamente non elevato.
Oggi invece vengono utilizzate traverse in cemento armato precompresso, sia come standard per i rinnovi, che per costruzione di nuove linee.
Per le nuove linee AV sono state progettate delle traverse in cemento armato precompresso che raggiungono una lunghezza di 2.60 m, massa dell’ordine di 300 kg, predisposte per attacchi elastici tipo Pandrol, con passo di posa di 60 cm. Tali manufatti consentono di realizzare una incrementata stabilità del binario ed una superficie di appoggio sul pietrisco maggiore di quelli tradizionali, con conseguente riduzione del carico specifico sulla massicciata.
2.3 L’alimentazione elettrica
Il sistema di elettrificazione adottato sulle nuove linee veloci Torino – Milano – Napoli è quello monofase a 25 kV c.a. 50 Hz, innovativo rispetto al sistema a 3 kV c.c. con il quale è elettrificata l'intera rete ferroviaria italiana. Sulle interconnessioni e nei nodi urbani, per evitare interferenze con il sistema tradizionale, la tensione di alimentazione risulta pari a 3 kV c.c.
Il sistema di alimentazione a 25 kV è il più utilizzato in Europa per le linee veloci ad elevata capacità di traffico e consente di disporre della potenza necessaria a far viaggiare convogli frequenti e veloci in modo economicamente più vantaggioso rispetto ai 3 kV. Allo stesso tempo:
- evita l’impiego all’interno delle sottostazioni elettriche di apparecchiature di conversione da corrente alternata a continua,
- riduce le cadute di tensione lungo la linea,
- permette potenziamenti futuri della capacità della linea senza ulteriori interventi sugli impianti, - facilita gli interventi di manutenzione e riparazione.
Il sistema di alimentazione sarà allacciato direttamente alla rete elettrica Enel a 380 kV e sarà in grado di assorbire carichi monofase con squilibri ridotti rispetto alla rete a 132 kV, senza arrecare disturbi alla distribuzione urbana di energia elettrica.
I locomotori dei treni - sia merci che passeggeri - che viaggeranno sulle nuove linee saranno politensione, in modo da poter viaggiare anche sulla rete esistente e sulle linee dei confinanti paesi europei. In Spagna, come da noi, l’Alta Velocità è alimentata a 25 kV c.a. e 3 kV c.c., in Francia a 25 kV c.a. e 1,5 kV c.c., mentre in Germania l’intera rete è alimentata a 15 kV c.a.
Per l’architettura del sistema di alimentazione delle nuove linee veloci si è scelto di adottare il sistema ad anello, ritenuto in grado di garantire allo stesso tempo la maggiore efficacia e sicurezza, il minore impatto sul territorio e la migliore salvaguardia della salute delle popolazioni residenti. Tale sistema prevede che le sottostazioni elettriche ferroviarie siano collegate fra di loro e che la prima e l’ultima sottostazione siano connesse a due centrali Enel. In alternativa si è valutata la possibilità di utilizzare il sistema a bastone, in cui ogni sottostazione è collegata ad una centrale della rete elettrica nazionale.
La scelta è caduta sulla struttura ad anello perché:
- è in grado di garantire una riserva di linea in caso di guasto di una sottostazione ferroviaria, - è più economica del sistema a bastone che utilizza un numero doppio di trasformatori dedicati, - è dotata di minore impatto sul territorio in quanto può seguire il tracciato della linea ad Alta
Velocità,
- non richiede la costruzione di altre stazioni Enel, comportando un risparmio oltre che economico anche in termini di occupazione del suolo.
La tipologia costruttiva adottata per gli elettrodotti a 132 kV è del tipo aereo con sostegni a traliccio a basso impatto ambientale. In ambito urbano, in limitati tratti particolarmente complessi dal punto di vista urbanistico o ambientale, è stata utilizzata la tipologia interrata.
A tutela della salute dei passeggeri e degli abitanti delle zone limitrofe al percorso tracciato per le linee ad Alta Velocità, sono stati effettuati dei test per verificare i livelli di esposizione ai campi elettromagnetici, per mezzo di un modello, ipotizzando le condizioni più gravose di esercizio dal punto di vista dell'assorbimento di potenza elettrica.
Questi risultati sono stati poi raffrontati con i limiti previsti dalla normativa vigente in materia di esposizione ai campi elettrici e magnetici (DPCM del 23 aprile 1992) ed ai valori fissati dal
CENELEC, l’organismo europeo deputato ad emettere la normativa in tema di impianti elettrici.
I risultati hanno confermato che i valori di esposizione al campo elettrico e magnetico sono largamente inferiori ai limiti indicati, non determinando situazioni di rischio né per la popolazione residente, né per il passeggero a bordo treno.
2.4 Gli impianti di segnalamento e sicurezza
La sicurezza di circolazione delle nuove linee veloci è un requisito fondamentale dello sviluppo progettuale della nuova infrastruttura, insito nel tipo di tecnologie adottate e nel livello di automazione prescelto.
La sicurezza è garantita dall’insieme degli impianti di segnalamento installati sulla linea e delle apparecchiature di bordo le quali, ricevendo le informazioni da terra, realizzano la funzione di controllo continuo della velocità (ATC - Automatic Train Control o più propriamente SCMT - Sistema Controllo Marcia Treni, così come applicato sulle altre linee ferroviarie).
L’insieme dei sistemi di terra e di bordo rispondono agli standard del progetto ferroviario europeo ERTMS/ETCS (European Railway Traffic Management System/European Train Control System) che ha tra i principali requisiti l’interoperabilità tra le reti ferroviarie e l’ottimizzazione nello sfruttamento della potenzialità delle linee in coerenza alla Direttiva 96/48/CE del 23 luglio 1996.
I tradizionali segnali luminosi, che a velocità di 300 km/h sono difficilmente leggibili dal personale di bordo, sono stati sostituiti dalla trasmissione automatica continua in cabina di guida di tutte le informazioni sullo stato della linea ferroviaria a valle del treno, espressa in termini di distanza obiettivo (traguardo) da rispettare sia in via permanente che transitoria. L’architettura delle apparecchiature di bordo connesse al comando e controllo automatico della marcia dei treni in sicurezza sarà realizzata secondo lo standard Eurocab che prevede oltre ad un elevato grado di automazione, l’integrazione delle funzioni di sicurezza e la realizzazione di una interfaccia uomo-macchina unica per tutte le reti ferroviarie europee.
L’ETCS è il sistema ATC (Automatic Train Control) introdotto per ottenere l’interoperabilità sulla rete ferroviaria europea.
I vantaggi attesi dal nuovo sistema consistono nella possibilità di far viaggiare i treni su tutta la rete europea interoperabile senza dover cambiare alle frontiere il personale di macchina o il materiale rotabile, nell’incrementare la sicurezza del traffico nazionale e internazionale, nel migliorare la gestione del traffico passeggeri e merci, nella possibilità d’introdurre gradualmente la nuova tecnologia, nell’aprire il mercato della produzione ferroviaria ad una competizione estesa a livello europeo.
Il sistema ETCS è composto da:
- un sottosistema di bordo (SSB), ch comprende il complesso delle apparecchiature installate sul locomotore (Vital Computer e Driver Machine Interface);
- un sottosistema di terra (SST), che gestisce il traffico ferroviario sulla base delle informazioni provenienti dalla linea;
Nel sistema ERTMS/ETCS si sono distinti tre differenti livelli applicativi per permettere ad ogni ente ferroviario nazionale di stabilire il livello maggiormente appropriato alle proprie infrastrutture, alle prestazioni volute e alle proprie strategie di investimento.
I tre livelli sono distinti principalmente in base all’equipaggiamento utilizzato nel sottosistema di terra e nel sottosistema di bordo, in relazione alla modalità di trasferimento delle informazioni tra terra e bordo e in relazione alle funzioni processate nei due sottosistemi.
Il Livello 1 utilizza trasmissioni di tipo discontinuo mediante boe fisse o commutabili (Eurobalises), collegate ai segnali posti lungo la linea.
Il livello 2 utilizza trasmissioni di tipo continuo attraverso collegamenti radio in sicurezza tra Posto di Comando (RBC) e treno; i segnali lungo la linea non sono più necessari (risparmi in investimenti e in manutenzione), ma le sezioni di blocco hanno una lunghezza fissa.
Il livello 3, caratterizzato dall’introduzione a bordo del sistema per la verifica automatica di integrità del treno (assenza dei circuiti di binario) e dal blocco mobile (di stanziamento con sezioni variabili), esiste al momento solo a livello sperimentale.
Figura 2.4-1 Schema ETCS
I treni equipaggiati con ERTMS/ETCS possono viaggiare sulle linee equipaggiate con i sistemi nazionali di controllo treno e supervisione della velocità grazie ad un equipaggiamento di bordo denominato STM (Specific Transmission Module).
Le ferrovie italiane, prime in Europa, hanno adottato sulle nuove linee veloci, Roma – Napoli e Torino – Novara, l’ERTMS di livello 2, un sistema all’avanguardia per la gestione e il controllo del distanziamento dei treni che assicura l’interoperabilità del traffico sulla rete ferroviaria europea.
Lo standard ERTMS/ETCS - il primo in Europa a funzionare a 300 km/h - si basa infatti sull’uniformità dei messaggi e degli strumenti utilizzati per lo scambio delle informazioni di
il controllo e la gestione del traffico. Sulle linee AV/AC infatti, il sistema ERTMS/ETCS fornisce al macchinista tutte le informazioni necessarie per una guida ottimale, controllando con continuità gli effetti del suo operato e attivando la frenatura d’emergenza nel caso la velocità del treno superi quella massima ammessa.
Per aumentare l’interoperabilità delle reti europee e definire gli standard comuni, il Gruppo Ferrovie dello Stato ha anche sottoscritto un accordo, in ambito UIC (Union Internationale des Chemins de Fer), sul progetto Rete radio GSM-Railway.
L’ERTMS/ETCS - Livello 2, per le comunicazioni fra il personale a terra e quello a bordo treno, utilizza il sistema GSM-R che, in ambito ferroviario, consente sia le comunicazioni vocali sia la trasmissione di dati per il controllo in sicurezza della marcia del treno.
Pertanto ogni treno riceverà in cabina di guida, con continuità e in via automatica, sia l’informazione della libertà della via connessa al distanziamento dal treno che lo precede, sia l’indicazione di punti singolari della linea che impongono livelli di velocità ridotti rispetto alla velocità standard di esercizio (limiti imposti dalla geometria del tracciato, rallentamenti temporanei, etc.). In entrambi i casi l’automatismo di bordo sarà in grado di indicare costantemente al macchinista la velocità di sicurezza da rispettare, di programmare il profilo caratteristico di frenatura del treno per ogni traguardo, con l’intervento automatico sul treno in caso di superamento dei valori di velocità ammessi dal profilo stesso.
Il comando automatico del treno adottato per le nuove linee veloci sarà basato su una
trasmissione radio bidirezionale terra/treno, conforme, come già detto, alle specifiche del progetto
europeo. La comunicazione radio bidirezionale permette di acquisire con continuità ed in tempo reale: - a bordo del treno i dati relativi alle condizioni della linea immediatamente a valle, comprese
eventuali limitazioni di velocità dovute al tracciato, mobili (connesse al movimento dei treni) o temporanee (rallentamenti per cantieri di lavoro in linea),
- a terra le caratteristiche sia statiche che dinamiche dei convogli presenti nella tratta (numero identificativo, composizione, posizione, velocità, accelerazione, diagnostica, ...).
La logica di terra calcola per ogni treno, in funzione della velocità e delle caratteristiche di frenatura, uno spazio di sicurezza dinamico. Sulla base della lunghezza di tale spazio, e tenendo conto delle eventuali limitazioni di tracciato e dei rallentamenti temporanei, viene comunicato al treno il limite di velocità da rispettare.
La posizione del treno viene determinata dall’odometro di bordo opportunamente ricalibrato e da appositi sensori (boe o balise) installate sulla linea.
Questo sistema di distanziamento consentirà un cadenzamento teorico minimo di 2’30” alla velocità di 300 km/h.
Un altro impianto connesso alla sicurezza è quello di rilevamento della temperatura delle boccole, per rilevare eventuali surriscaldamenti. Tali impianti sono posizionati ogni 24 km.
