Il progetto di Ampliamento alla terza corsia Barberino di Mugello - Incisa Valdarno nel tratto Barberino di Mugello - Firenze Nord si sviluppa tra la progressiva 261+503 (corrispondente allo svincolo di Barberino di Mugello) e la progressiva 279+000 (circa 700 metri a Sud dello svincolo di Calenzano/Sesto Fiorentino) dell'attuale autostrada A1 Milano – Napoli, rientra nel progetto di potenziamento dell'autostrada tra Sasso Marconi ed Incisa Valdarno e ne costituisce il tratto iniziale appenninico lato Firenze, il più complesso da realizzare per la morfologia e le caratteristiche ambientali del territorio attraversato.

L’ampliamento autostradale nel tratto considerato, della lunghezza di 17,5 km, prevede la costruzione di una nuova carreggiata a 3 corsie di marcia più una di emergenza in direzione Sud e la realizzazione di una unica galleria di 7,7 km (Lotto 2) denominata ‘Santa Lucia’ che sarà funzionale a garantire un flusso monodirezionale alla tratta autostradale esaminata.

La nuova galleria Santa Lucia è costituita da un unico fornice la cui parte in scavo naturale inizia alla progressiva 3+423,00 e termina alla progressiva 10+971,00, per uno sviluppo complessivo di 7.548 metri; considerando invece il tratto coperto che comprende anche le gallerie artificiali, essa parte dalla progressiva 3+395,73,00 e arriva alla progressiva 11+120,0, con una lunghezza totale coperta di 7.724,27 metri.

La piattaforma è costituita da tre corsie di 3,75 m di larghezza e due banchine da 0,70 m. A sinistra l’elemento marginale è costituito da un profilo redirettivo, mentre a destra da un marciapiede non sormontabile di larghezza minima pari a 60 cm, in modo da poter costituire una via di allontanamento protetta in caso di guasto al veicolo. 

La Galleria verrà realizzata con l’ausilio di una fresa scudata a contropressione di terra denominata TBM – EPB. Lo spessore dei rivestimenti è pari a 55 cm, la sezione della galleria ha diametro pari a 15,40 m, mentre la sezione di scavo e della testa della fresa, ha diametro pari a 15.935 m e area pari a circa 200 mq.

Il processo di avanzamento della macchina TBM permette di realizzare uno scavo perfettamente circolare e, immediatamente a ridosso del fronte di scavo, di posare il rivestimento definitivo. Questo è costituito da anelli di circa due metri in senso longitudinale a loro volta suddivisi in conci. Utilizzando il metodo del cosiddetto “anello universale”, in cui tutti gli anelli sono uguali fra di loro ma di larghezza variabile (pannelli a forma leggermente trapezoidale), attraverso la rotazione dei vari anelli si riescono a realizzare le curve sia planimetriche che altimetriche. 

Le TBM a contropressione di terra (Earth Pressure Balance Machines, EPBMs) prevedono sostanzialmente che la testa fresante porta utensili svolga la funzione di mezzo per lo scavo  e che il sostegno del fronte sia mantenuto per mezzo dello stesso terreno scavato che, opportunamente condizionato, è mantenuto in pressione all’interno della camera di scavo attraverso: 

• i martinetti di spinta dello scudo, che trasferiscono la pressione al diaframma di separazione tra scudo e camera di scavo e, di conseguenza, al terreno scavato (equilibrio di forze); 
• la regolazione della velocità di rotazione della coclea dedicata all’estrazione del materiale scavato (equilibrio di volume). La regolazione della velocità d’estrazione dei detriti dalla camera di scavo, costituisce infatti un mezzo fondamentale per controllare la regolazione delle pressioni esercitate sul fronte durante lo scavo.

Generalmente queste tipologie di TBM sono costituite da:

•  una testa rotante (con razze porta utensili)
•  uno scudo protettivo
•  un sistema di spinta con martinetti longitudinali che contrastano sul rivestimento in conci prefabbricati
•  un sistema di posa dei conci prefabbricati stessi (erettore), nonché da tutti i servizi accessori alloggiati sui carri di back-up posteriori.

Gli scudi a contropressione di terra sono stati sviluppati per l’impiego in terreni coesivi teneri e sono in grado di esercitare un sostegno del fronte mediante pressione di terra bilanciata (EPBMs), vale a dire con camera di scavo mantenuta in pressione tramite lo stesso materiale scavato, opportunamente condizionato. Una parete stagna (bulkhead) separa infatti la galleria dalla parte anteriore dello scudo dove agisce la testa di scavo, delimitando la cosiddetta “camera di scavo”. Si tratta, sostanzialmente, di provocare un “accumulo” di materiale nella camera di scavo controllandone l’estrazione e di misurare la “pressione di terra” che ne consegue mediante opportuni sensori di pressione, assicurando che il suo valore venga mantenuto conforme alle necessità derivanti dai calcoli di stabilità. La pressione di sostegno deve infatti bilanciare la pressione esercitata dal terreno e quella esercitata dall’acqua di falda. Il principale campo di applicazione è relativo a terreni a limitata o nulla capacità di auto-sostegno. Granulometricamente, il campo di applicazione degli scudi chiusi a contropressione di terra è quello dei limi e delle argille con sabbia. L’utilizzo di additivi quali fango ad alta densità o schiume permette lo scavo anche in terreni sabbioso – ghiaiosi. 

Nel caso specifico della Galleria Santa Lucia si prevede l’attraversamento, in alternanza, delle seguenti formazioni litologiche principali:

•  Formazione di Monte Morello, formazione di natura flyschoide costituita da un alternanza di calcari, calcari marnosi, marne e siltiti  per una lunghezza totale dei tratti interessati di 5.750 metri circa pari al 76,5%
•  Formazione del Sillano, formazione complessa costituita da una alternanza di argilliti prevalenti, marne, arenarie, siltiti e calcari per una lunghezza totale dei tratti interessati di 582 metri circa, pari a 7,7%
•  Formazione del Sillano Litofacies Arenacea alternanza di calcari, arenarie, marne e argilliti per una lunghezza totale dei tratti interessati di 743 metri circa, pari al 9,2%
•  Formazione del Sillano Litofacies Marnoso-calcarea  alternanza di marne, argilliti, siltiti e calcari per una lunghezza totale dei tratti interessati di 510 metri circa, corrispondente al 6,7%

Il condizionamento dello smarino avviene iniettando al fronte (davanti alla testa di scavo) o in altri punti della camera di scavo o della coclea, determinati prodotti (schiumogeni e/o polimeri, bentonite, ecc.). Tale processo permette di creare una sorta di “pasta” che consente di gestire agevolmente la pressione all’interno della camera di scavo, nonché di poter utilizzare correttamente la coclea durante l’estrazione. Il materiale di risulta, una volta estratto dalla camera di scavo mediante la coclea (che rappresenta anche il mezzo di regolazione e controllo della quantità di materiale estratto) viene allontanato dalla galleria tramite un sistema di nastri trasportatori.

Per controllare in maniera indiretta che non si stiano verificando pericolosi sovra-scavi, soprattutto in materiali non coesivi, la fresa è equipaggiata con un sistema di bilance che riportano il peso del materiale estratto. Pur esistendo un certo margine di incertezza nella valutazione della densità specifica dei materiali scavati (necessaria per poter passare da pesi a volumi estratti), le bilance permettono di controllare statisticamente i pesi, mettendo immediatamente in evidenza ogni anomalia che deve essere attentamente studiata e prontamente risolta in funzione della geologia e delle pressioni di sostegno del fronte. 

Ulteriori parametri importanti per individuare eventuali anomalie durante lo scavo sono: 

• Pressione di sostegno del fronte (pressione di lavoro nella camera di scavo, fornita dai sensori di pressione di terra)
• Valore della “densità apparente” del materiale nella camera di scavo, necessario a  determinare il gradiente della pressione di sostegno del fronte. 
• Pressione e volume di iniezione della miscela bi-componente, iniettata a tergo del rivestimento 
• Coppia della testa
• Fattore di penetrazione

Nella parte posteriore dello scudo si procede al montaggio del rivestimento in conci prefabbricati ed al riempimento del “vuoto anulare” tra l’estradosso dei conci stessi e la superficie effettivamente scavata (longitudinal grouting o backfilling). Infine, nei carri di back up posteriori, sono concentrati tutti gli apparati ed impianti ausiliari necessari al proseguimento delle attività di scavo.