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metropolitana

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Definizione

sf. [sec. XX; da (ferrovia) metropolitana, calco del francese (chemin de fer) métropolitain, ferrovia della metropoli]. Sistema di trasporto pubblico urbano, con eventuali prolungamenti in zone periferiche, effettuato prevalentemente in sotterraneo.

Cenni storici

Il primo tratto ferroviario (ca. 6,4 km) definibile come metropolitana in quanto percorso in sotterraneo e destinato a trasporto pubblico di persone, entrò in servizio a Londra nel 1863: erano usate locomotive ferroviarie con trazione a vapore, provviste di collari parafumi e sistemi di aspirazione degli stessi; nel 1890 la metropolitana di Londra, già ben sviluppata, venne elettrificata e continuò gradualmente a espandersi. Nel 1892 fu aperto un tratto di metropolitana a Chicago, cui seguirono le metropolitane di Budapest (1896), Glasgow (1897), Parigi (1900), Boston (1901), Berlino (1902), Atene (1903), New York (1904), Filadelfia (1907) e di molte altre città nel mondo. Urbanisti e altri studiosi della materia sono ormai concordi che una rete metropolitana costituisca l'unica soluzione all'imponente sviluppo della motorizzazione privata, nonostante i costi siano molto elevati e non sia possibile di solito realizzare più di 2-3 km l'anno nei centri storici urbani e di 5-10 km nelle aree periferiche metropolitane. Soltanto una metropolitana, infatti, può convogliare normalmente nei due sensi 50.000 passeggeri all'ora su ognuna delle sue linee. Inoltre, lo sviluppo delle moderne conurbazioni pone il problema dell'integrazione fra trasporto metropolitano in senso stretto e trasporto ferroviario infraurbano; ciò ha portato a soluzioni diverse, sia realizzando reti concettualmente nuove, quale il BART di San Francisco, sia collegando ferrovie metropolitane con linee ferroviarie extraurbane, come nei S-bahn della Germania, sia realizzando metropolitane leggere o monorotaie, sia progettando reti integrate per varie megalopoli. In Italia per ragioni legislative e di finanziamento, oltre che tecniche, è stata definita “metropolitana leggera” la rete che procede prevalentemente in sede protetta (in superficie, in trincea, in galleria), ma che può utilizzare preesistenti percorsi tranviari cittadini. Diventa così possibile trasformare progressivamente una rete tranviaria preesistente in un sistema moderno con costi di installazione molto inferiori a quelli di una metropolitana tipica.

Tecnica: tipologia

Ogni metropolitana è costituita da: una rete di gallerie di corsa dei convogli e da una più limitata rete di gallerie di servizio, che collegano le prime tra loro, ai depositi, alle officine riparazioni. Il materiale mobile è costituito da convogli su rotaie (in alcuni impianti su piste per pneumatici), capaci di elevate accelerazioni e decelerazioni, con velocità massime limitate, onde consentire una buona velocità commerciale (media) e cioè 20-30 km/h con fermate ravvicinate. La scelta e la definizione del tracciato dovrebbero sempre corrispondere alle direttrici di più intenso traffico di superficie, anche se non necessariamente le devono seguire in modo preciso. Ha rilevanza la presenza di canali, fiumi, collettori della fognatura e altri manufatti sotterranei, che interferirebbero con il tracciato della galleria o le strutture delle stazioni. Caso per caso si sceglie tra la modifica del tracciato e un intervento sul manufatto preesistente (deviazione, approfondimento, demolizione e ricostruzione). Importante nel definire il tracciato, il collegamento con nodi preesistenti di trasporto: stazioni ferroviarie, capolinea di ferrovie secondarie foresi, capolinea di autobus foresi, allo scopo di consentire un rapido e comodo trasbordo di passeggeri. Per la costruzione delle gallerie profonde, che costituiscono la maggioranza degli scavi, si usa il cosiddetto “scudo”, e cioè un complesso attrezzato per scavare frontalmente il terreno, costiparlo, armare il tunnel con i necessari ferri, disporre le casseforme, gettare il conglomerato cementizio e spostarsi in avanti quando il tratto gettato ha fatto presa e le casseforme e le armature provvisorie di sostegno possono essere rimosse. Tale sistema, oltre a consentire di passare sotto gli edifici (le cui fondamenta vanno, ovviamente, rinforzate con opportuni interventi), permette di realizzare gallerie con una discreta altezza così da poter installare facilmente anche linee aeree elettriche di contatto per l'alimentazione dei motori; inoltre diventa possibile ridurre al minimo le vibrazioni trasmesse agli edifici dal passaggio dei convogli, grazie al nuovo sistema di posa dei binari su lastroni di calcestruzzo gettati su di un sottofondo elastico (poliuretano espanso e simili). Per le gallerie poco profonde e per la costruzione di stazioni passeggeri e di sottostazioni elettriche di alimentazione, occorre scavare dall'alto, per cui si scelgono piazze, incroci di viali molto larghi o i viali stessi, onde avere lo spazio per il movimento di mezzi e materiali e per evitare il più possibile la costruzione di sottofondazioni e rinforzi agli edifici esistenti in superficie. Le gallerie costruite con scavo dall'alto hanno sezione rettangolare o quadrata; quelle costruite con il metodo dello scudo, circolare od ovale. In alcuni casi i due binari trovano posto in una sola galleria, in altri in due gallerie distinte; le rotaie, di tipo a scartamento ferroviario, poggiano su traversine (di solito in cemento precompresso), assicurate alla massicciata con sistemi analoghi a quelli ferroviari, oppure assicurate ai lastroni di calcestruzzo con idonee caviglie d'ancoraggio. Le pareti delle gallerie sono ricoperte con uno strato di intonaco a grana molto grossa, fonoassorbente. Le stazioni, disposte a intervalli appositamente studiati, presentano una struttura a due o più piani: nel più elevato confluiscono i vari accessi dalla superficie e trovano posto biglietteria, posto di sorveglianza, impianti elettrici della stazione, negozi. Al piano inferiore si hanno le banchine lungo le quali si arrestano i convogli. Nel caso di una stazione d'incrocio, i piani sotterranei sono tre (incrocio di due linee), quattro (incrocio di tre linee), ecc. Nelle reti più grandi si hanno stazioni più complesse e di tipo differenziato: possono essere a quattro binari (per esempio Chicago), due riservati ai convogli “espressi” e due agli “omnibus”; oppure a livello stradale, inglobate in quelle ferroviarie (alcune delle stazioni della metropolitana di Mosca); oppure di raccordo tra due reti distinte (New York). Largo impiego hanno sempre le scale mobili, specie nelle stazioni d'incrocio di più linee, nelle quali si scende a 50-60 m sotto il livello stradale o anche più.

Tecnica: le sottostazioni di alimentazione

Date la potenza delle elettromotrici metropolitane (ca. 550 kW l'una), la composizione di un convoglio (oltre 4 motrici) e la frequenza di essi (su ogni linea, anche ogni due minuti-un minuto e mezzo), una rete metropolitana assorbe (e per di più nei limiti di un'area ridotta) una potenza comparabile (o anche maggiore) a quella di una linea ferroviaria di grande comunicazione. Di conseguenza, richiede sottostazioni di alimentazione potenti e ravvicinate, che trovano posto quasi sempre nel sottosuolo, in uno scavo indipendente o in un prolungamento dello scavo di una stazione passeggeri. Le sottostazioni comprendono interruttori automatici, sezionatori, trasformatori, raddrizzatori, impianti ausiliari diversi. Sono disposte su due o tre piani, accessibili almeno da due parti diverse. Siccome nel loro interno si sviluppa molto calore per la presenza di trasformatori, raddrizzatori, ecc., occorre un efficace sistema di ventilazione sia per il raffreddamento delle apparecchiature sia per convogliare l'aria calda in superficie. Comprendono inoltre un sistema di spegnimento automatico di eventuali incendi, di smaltimento dei relativi fumi, e un sistema ausiliario (batterie o gruppo elettrogeno) per disporre di energia elettrica a sottostazioni fuori servizio o che vengano isolate per lavori di riparazione o di pronto intervento.

Tecnica: i convogli

Per ciò che riguarda i convogli, la tendenza moderna è di realizzare “unità di trazione” costituite da più veicoli tra loro accoppiati: due motrici, ognuna con una cabina di guida; due motrici con interposta una vettura rimorchiata; due motrici con interposte vetture rimorchiate e motrici prive di cabina di guida. Due o più unità di trazione, mediante sistemi di accoppiamento automatico, possono essere accoppiate e disaccoppiate, in modo da costituire, con una manovra rapida, convogli più o meno lunghi, secondo le esigenze del servizio. La lunghezza di un convoglio è determinata dalla lunghezza delle banchine delle stazioni, che non supera di solito i 100 m, per cui i convogli, composti da unità lunghe 15-18 m, soltanto in poche reti superano la composizione massima di sei vetture. Le vetture hanno tre o quattro porte per lato e i pavimenti sono a livello con le banchine; i tempi di entrata e uscita dei viaggiatori risultano così molto brevi. Le motrici sono provviste di un sistema di apparecchiature di potenza che presiedono alla fase di accelerazione, di marcia, di frenatura elettrica e all'inversione del senso di marcia. I motori usati sono generalmente del tipo a corrente continua con eccitazione in serie. La frenatura dei convogli è integralmente elettrica fino a pochi chilometri l'ora; interviene poi la frenatura ad aria compressa, su freni a disco. Ciascun veicolo comprende inoltre un impianto di produzione d'aria compressa, utilizzata per la frenatura, per l'azionamento delle porte, per le sospensioni pneumatiche del carrello; un impianto (motogeneratore) per la produzione di corrente a bassa tensione, usata per l'illuminazione, i comandi, la ventilazione interna e i vari dispositivi di comando, controllo, regolazione, allarme, ecc. Il comando del convoglio è sempre in multiplo. Il manovratore, cioè, agendo sugli organi siti sul banco di manovra della vettura di testa, comanda contemporaneamente tutti gli equipaggiamenti delle vetture del treno. Una battuta d'arresto hanno avuto invece i veicoli (progettati in Francia) che si muovono su pneumatici accoppiati a ruote di tipo ferroviario che consentono il superamento degli scambi e la marcia del convoglio in caso di afflosciamento del pneumatico. Ottimi, confortevoli e silenziosi, tali veicoli, per il notevole attrito dei pneumatici, sviluppano forti quantità di calore, con tutte le conseguenze che ne derivano. Gli equipaggiamenti di bordo prevedono l'impiego di sistemi elettronici di potenza a chopper e motore a collettore a corrente continua, nonché sistemi alimentati a corrente continua, ma con un convertitore che converte la corrente continua della linea in corrente alternata trifase a frequenza variabile che permette di utilizzare motori di trazione a induzione (asincroni a velocità variabile con la frequenza).

Tecnica: i sistemi di captazione della corrente

I sistemi di captazione della corrente sono, più di frequente, a mezzo di terza rotaia, centrale e isolata, sulla quale scorre la strisciante collegata alla motrice, mentre le rotaie di corsa fungono da circuito di ritorno; in alcune soluzioni si ricorre anche a una quarta rotaia, anch'essa isolata, che agisce quale circuito di ritorno per cui anche nel caso di un guasto alla terza rotaia è possibile assicurare la marcia del convoglio invertendo la polarità; questo secondo sistema è vantaggioso quando si impiegano equipaggiamenti di controllo elettronico, in quanto non vengono inquinate da eventuali armoniche le correnti deboli utilizzate per il segnalamento; la corrente di trazione utilizzata è di 600-750 V. Altro sistema, adottato soprattutto quando la rete ha più tratte allo scoperto, è quello che utilizza una linea aerea di contatto a corrente continua, con tensione a 1500 V; la captazione avviene tramite pantografo analogo a quello delle motrici ferroviarie, seppur di più ridotte dimensioni; l'equipaggiamento elettrico di bordo è più pesante e ingombrante, ma il sistema di alimentazione (linee, posti di sezionamento, sottostazioni) risulta alleggerito e meno costoso e le sottostazioni possono essere maggiormente distanziate. Un problema notevole rappresenta lo sviluppo di calore dovuto alla crescente potenza, frequenza e lunghezza dei convogli: la temperatura, specie nelle gallerie profonde, tende a conservarsi e quindi a salire progressivamente (per esempio mezzo grado centigrado all'anno a Londra), il che suscita preoccupazioni, anche se non immediate.

Tecnica: i sistemi di sicurezza

La marcia dei convogli a così breve distanza ha richiesto l'adozione di impianti particolari per evitare, anche in caso di malore o errore del manovratore, tamponamenti in linea o (eventualità più rara ma teoricamente possibile) scontri tra convogli agli scambi. Tutte le reti sono munite di sistemi che, con l'impiego di circuiti di binario, di circuiti siti tra una rotaia e l'altra, di sistemi di controllo automatico a bordo delle vetture e sistemi asserviti a questi consentono di marciare in piena sicurezza. Se un manovratore volesse imboccare un tratto di galleria occupato da un altro convoglio (fermo o in moto) il suo convoglio si arresterebbe automaticamente. Il sistema si è sviluppato in diverse forme di guida automatica, nelle quali il manovratore si limita a un lavoro di sorveglianza del convoglio e a dare il comando di partenza; le vetture, infatti, sono dotate di speciali antenne ricetrasmittenti, generalmente poste al di sotto, con le quali inviano costantemente segnali personalizzati a un elaboratore centrale; questo sceglie le più opportune sequenze di marcia di tutti i treni, in funzione del traffico sulla linea, e manda a ciascuno gli ordini necessari che, captati dalle antenne, mettono in funzione gli impianti di bordo (motori, freni, ecc.); nelle stazioni, speciali dispositivi “avvisano” il convoglio in quale punto esatto deve fermarsi (arresto a punto fisso) in funzione della sua lunghezza. I sistemi automatizzati integrati permettono la marcia ravvicinata dei treni, anche a un minuto l'uno dall'altro, e consentono la diminuzione del 30% del personale; anche se i costi d'installazione sono molto più elevati, vengono compensati dall'aumento dei passeggeri/ora trasportati e dalle minori dimensioni delle banchine delle stazioni, potendosi utilizzare convogli più corti perché più frequenti.

Tecnica: la metropolitana leggera

Concettualmente analoga a quella “pesante” (così viene definita la metropolitana che corre prevalentemente in galleria), la metropolitana leggera si differenzia perché il percorso si svolge essenzialmente su viadotto, in trincea o lungo corsie protette in superficie; il suo costo è decisamente inferiore (da un terzo alla metà) in quanto è possibile edificare stazioni a raso di ridotte dimensioni, con banchine lunghe anche solo 30 m e le opere per realizzare la linea non comportano tempi di troppo lunga durata; il materiale rotabile impiegato ha peso generalmente minore per cui si possono alleggerire sia le vie di corsa sia la struttura dei viadotti. Di contro, le linee per le metropolitane leggere si realizzano prevalentemente lungo strade molto ampie o in nuovi quartieri periferici progettati in modo da prevedere la loro installazione (come a Parigi). Le vetture di norma adottano carrelli con assi sterzanti o semiassi indipendenti, sui quali è posto il motore, generalmente di tipo asincrono, collegato alle ruote con una trasmissione meccanica semplificata; questo consente di abbassare il pavimento della vettura, di ridurre il carico per asse e il peso per passeggero trasportato, nonché di diminuire gli ingombri degli impianti di bordo, il che facilita l'adozione di sistemi elettronici automatizzati. La metropolitana leggera usa per la trazione corrente continua con tensione a 1500 V, captata da una linea aerea tramite pantografi; l'alimentazione dei motori viene effettuata trasformando la corrente da continua in alternata tramite inverter. La flessibilità della metropolitana leggera consente, infine, la sua integrazione con la rete tranviaria esistente, ovviamente con le piccole modifiche necessarie.