Il tracciato della nuova linea veloce attraversa tutto il nodo ferroviario di Bologna e si sviluppa lungo il corridoio già utilizzato dalla linea ferroviaria esistente. La lunghezza complessiva del tratto urbano è di circa 17,8 km: si sviluppa per circa 7 km allo scoperto, per 9,3 km in galleria (naturale e artificiale) e per 1,6 km in viadotto. Partendo dal quartiere Savena-San Ruffillo, punto in cui ha inizio la tratta Bologna-Firenze, il tracciato attraversa il ponte sul fiume Savena; dopo circa 80 m percorsi in superficie si immette in galleria fino a raggiungere, in prossimità della futura Stazione sotterranea per le nuove linee veloci, 23 m. di profondità rispetto al piano di campagna. I binari, seguendo approssimativamente il percorso della linea esistente posta in superficie, proseguono fino al camerone di Fascio Salesiani (zona di manutenzione dei treni a est della stazione), sottopassando le vie: Corelli, degli Orti, Emilia Levante, Fossolo, Rimesse, Massarenti, Libia e Stalingrado. Da qui il tracciato continua per circa 1 km fino alla stazione sotterranea per le linee veloci. Quindi il tracciato, con un tratto in galleria a doppio binario, prosegue in direzione Milano, sottopassando il torrente Navile e via Zanardi, per poi risalire e scavalcare la galleria stradale del futuro prolungamento dell'Asse Attrezzato sud-ovest; subito dopo, in corrispondenza della futura fermata SFM "Prati di Caprara", la linea riemerge all'aperto. Per attraversare il fiume Reno, i binari si divaricano: uno passa sul ponte esistente, l'altro su un nuovo ponte che verrà realizzato a valle di quello esistente. Superato il Reno in direzione Milano, la linea si affianca alla linea storica Bologna-Milano, oltrepassa la zona dell'aeroporto e transita sotto la tangenziale, la statale per Crevalcore e l'A14 Bologna-Ancona, fino a giungere in prossimità di via del Vivaio. Infine, dopo aver oltrepassato il torrente Lavino, il tracciato della linea veloce di attraversamento del nodo di Bologna si allaccia alla tratta Bologna-Milano nel comune di Anzola nell'Emilia. Nel territorio dei comuni di Anzola e San Ruffillo sono previste due interconnessioni tra linea veloce e linea storica. L'interconnessione di San Ruffillo è costituita da due gallerie situate nel territorio dei comuni di Pianoro e San Lazzaro di Savena; quella di Lavino si sviluppa interamente nel territorio del comune di Anzola ed è costituita dai due rami che collegano la nuova linea veloce alla linea di Cintura e alla linea esistente, in corrispondenza della Stazione di Lavino. All'interno del Nodo bolognese, in prossimità del Deposito Locomotive (situato tra l'ospedale Maggiore e via Agucchi) sono previste due interconnessioni: una con la linea Padova - Venezia e una con la linea per Verona.
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