Macchine aperte vs. macchine a doppio scudo Ovvero: analisi dello scavo in gallerie con rocce fratturate

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1 > Tecnologie di S.J. Wilson Macchine aperte vs. macchine a doppio scudo Ovvero: analisi dello scavo in gallerie con rocce fratturate In molti casi le gallerie richiedono scavi attraverso catene di montagne, rocce altamente variabili e sacche d acqua. Le condizioni reali, con le molte variabili presenti, rendono la scelta della macchina una prospettiva alquanto difficile, con le conseguenti domande: nelle gallerie in presenza di roccia dura, quando sarà opportuno operare con una fresa aperta e quando la doppia scudo si può rivelare la scelta migliore? Un aiuto ci viene da una società specializzata: La scelta della macchina è un rischio che dev essere affrontato. Occorre effettuare un analisi dei benefici in relazione ai costi da affrontare, ci ha detto Brad Gothern, direttore della sezione Ingegneria di Robbins. Gothern cita alcune differenze chiave tra le macchine aperte e le scudate, come esempio: Le macchine aperte sono generalmente meno costose delle scudate. Le macchine a doppio scudo, infatti, possono scavare e montare il rivestimento prefabbricato simul- taneamente in terreno fratturato e, pertanto, c è un costo associato al rivestimento della galleria. In alcuni casi queste gallerie possono essere scavate da macchine aperte se non è richiesto un rivestimento. Pertanto, in quali progetti le due macchine devono essere utilizzate? La risposta potrebbe essere che esistono alcuni disegni di macchina ideali per condizioni specifiche. Queste condizioni, particolarmente per le doppio scudo, possono essere analizzate partendo dall inizio: il PF marzo-aprile 2011

2 È il sogno di ogni contrattista: scavare una galleria in roccia tenace a notevole profondità, in condizioni di terreno omogeneo, senza (o con relativi) problemi. In condizioni ideali di roccia la scelta della macchina da utilizzare sarebbe una facile prova. Purtroppo, solitamente, questo sogno non è realtà. Ma Lo sviluppo delle TBM a doppio scudo Dal momento della loro invenzione, le frese a doppio scudo si sono rivelate ideali in condizioni specifiche. Il disegno fu sviluppato originariamente nel 1972 per il progetto Orichella, una galleria idroelettrica in Calabria. Gli ingegneri della Robbins furono messi davanti al problema di sviluppare una macchina che potesse scavare sia in terreni sani che fratturati con un buon avanzamento, montando contemporaneamente un rivestimento prefabbricato della galleria. Studi geotecnici degli 8 km di galleria idroelettrica avevano indicato la presenza di graniti da 69 a 207 MPa UCS, unitamente a sezioni significanti di roccia fratturata e brecce. Alcuni tratti di galleria furono previsti in terreno sano con necessità minima di supporti e nessun problema nell applicare la forza delle scarpe di grippaggio alle pareti della galleria. In altre sezioni fu prevista la necessità di montaggio di un rivestimento di supporto prefabbricato non essendo sufficientemente stabili per sopportare la forza delle scarpe di grippaggio. Contemporaneamente, non fu ritenuto possibile l acquisto di due differenti tipi di macchina (una aperta e una con scudo singolo), mentre la modifica della macchina in galleria fu ritenuto controproducente a livello di perdite di tempo. Il risultato, dopo un attento lavoro di disegno, fu un prototipo di fresa composto da due scudi uniti assialmente da 12 cilindri di spinta. Lo scudo posteriore era capace di scorrere all interno dello scudo anteriore avendo, al suo interno, sia i cilindri ausiliari di spinta che le scarpe di grippaggio. La macchina era capace di operare sia come singolo che doppio scudo, usando le scarpe di grippaggio in terreno competente e montando contemporaneamente il rivestimento (doppio scudo) o usando i cilindri ausiliari per spingersi contro i segmenti del rivestimento (scudo singolo). Le macchine a doppio scudo attuali sono più aggiornate, con motori a frequenza variabile (VFD) ad alta efficienza e, spesso, taglienti di largo diametro da 19 o 20. Nonostante ciò, l applicazione migliore della macchina è quella in condizioni simili al progetto originale del 1972, con rocce fratturate in gallerie di notevole lunghezza dove almeno parte del tracciato richiede un rivestimento prefabbricato. Il rapporto costi-validità di disegno ed efficienza della macchina sono ideali per uno specifico campo di applicazioni e condizioni che si differenziano dalle situazioni ideali per una macchina aperta. Vantaggi e svantaggi del tipo aperto Le macchine Main Beam o di tipo aperto rimangono le più popolari tra le frese per roccia dura, principalmente per una serie di benefici: Il maggior vantaggio di una macchina aperta è che la roccia è visibile e, quindi, può essere sostenuta o trattata, se necessario, ci ha detto Lok Home, presidente della Robbins. Le frese aperte sono anche meno costose delle scudate (fino a un 5% di differenza), paragonando i costi delle macchine. La mancanza di uno scudo conferisce altresì vantaggi alle macchine aperte rispetto alle scudate. Il disegno può essere ottimizzato nel senso di un facile arretramento della macchina attraverso supporti del terreno precedentemente installati, come bulloni o centine. Il tettuccio idraulico e i supporti laterali, in combinazione con la testa fresante in sezioni imbullonate, possono effettivamente ridurre il diametro della macchina (opzione non attuabile nelle macchina scudate). Le macchine aperte offrono la migliore sterzata, soprattutto in rocce dure. Ciò è dato dal fatto che le scarpe (gripper) offrono un punto di ancoraggio fisso contrariamente ai quadranti di sterzata usati nelle macchine scudate. Le macchine aperte sono altresì disegnate con un eccellente distribuzione dei pesi. Il che significa che tutta la forza di spinta è trasferita dal supporto della testa ai cilindri di spinta, ci ha detto Grothen. I cilindri di spinta generano la forza di spinta che, a sua volta, è trasferita alle scarpe di grippaggio e direttamente alle pareti della galleria. Il risultato è un disegno di macchina rigida che mantiene l allineamento. PF marzo-aprile

3 > Tecnologie l acqua dalla galleria, queste macchine non sono adatte per gallerie con più del 20% della geologia in terreni permeabili, in falda. La prima TBM a doppia testa fu sviluppata da Robbins per il progetto Orichella (galleria idroelettrica in Calabria) nel 1972 I supporti laterali e i supporti superiori aggiungono stabilità alla testa fresante, posizionandosi contro le pareti della galleria e aumentando l efficienza dello scavo. Tutti questi aspetti progettuali contribuiscono alla nota velocità di scavo delle macchine aperte. Altre condizioni sono molto più complicate per le frese aperte : Esse sono ottimali se la maggior parte delle condizioni geologiche lungo la galleria sono previste buone. Solitamente, può essere definito come almeno il 75% della galleria. Se l aspettativa di roccia cattiva lungo il tracciato è del 25% o maggiore, ciò potrebbe tramutarsi in un impatto significante e ritardi nel programma del lavoro, ci ha dichiarato Dean Brox, Senior Project Manager di Hatch Mott MacDonald. Altri studi hanno verificato che la percentuale di terreno cattivo dovrebbe essere in effetti inferiore per un buon utilizzo di una fresa aperta, come il 90% in roccia competente e 10% in roccia a meno stabile. In aggiunta alle difficoltà in terreni instabili, molto spesso le frese aperte si trovano ad affrontare difficoltà in altri ambienti, incluse severe condizioni in terreno spingente o in falda (condizioni difficili anche per macchine scudate). Vantaggi e svantaggi del tipo a doppio scudo Il vantaggio maggiore di una fresa a doppio scudo sta nel fatto di montare il rivestimento definitivo in contemporanea allo scavo. A meno che non sia richiesto un rivestimento aggiuntivo, la doppio scudo offre un sistema rinchiuso in una sola passata, anche in condizioni geologiche difficili. È lo stesso scudo a fornire protezione ai minatori in condizioni di terreno sciolto. In condizioni di roccia sotto stress incluse rocce dure e compatte il disegno della macchina fornisce la coppia migliore per lo scavo. Comunque, la macchina a doppio scudo ha anche i suoi svantaggi: Ci sono molti costi aggiuntivi associati a esse, inclusi quelli per fabbricare e trasportare i conci prefabbricati e quelli per il riempimento a stabilizzazione dei segmenti, ci ha detto Grothen. Montato l anello prefabbricato, c è una distanza anulare tra conci e pareti della galleria che necessita di riempimento con ghiaietto o boiacca. Le frese a doppio scudo, così come le aperte, hanno difficoltà in terreni spingenti o in falda freatica. Gli scudi non sono a tenuta d acqua e, mentre le pompe possono essere usate per rimuovere Terreni fratturati e sovrasollecitati Analizziamo le frese aperte destinate a questo contesto. La scelta di macchine scudate contro le aperte per gallerie in roccia richiede un attenta valutazione in relazione a fenomeni potenziali di sovrasollecitazione, con l uso di indagini specifiche e analisi delle caratteristiche di rocce rappresentative. Una limitata presenza di rocce deboli o alterate può essere facilmente controllata anche in caso di prove non adeguate o di carotaggi insufficienti. Se la sovrasollecitazione del terreno risulta essere un rischio reale per una significante porzione di galleria, allora bisognerà ricorrere a speciali metodi di supporto del terreno, da usarsi con macchine aperte così come il Sistema McNally. Oppure si dovrà considerare un approccio più conservativo, con l uso di una fresa scudata e di un potenziale abbassamento delle produzioni di scavo, ha dichiarato Brox. D altro canto, condizioni severe in terreni sovrasollecitati possono compromettere anche l uso di macchine a doppio scudo. Geologie sovrasollecitate con fenomeni di rocce esplodenti (Rock Burst) hanno caratterizzato il progetto Transandino Olmos, definito come le seconda più profonda galleria al mondo sotto i suoi m di copertura. Fin dall inizio dello scavo dei 13,9 km di galleria, il personale ha potuto registrare oltre fenomeni di cedimenti di roccia con scoppio in litologie comprendenti scisti, quarziti, porfiriti, andesiti, tufi e brecce piroclastiche. Queste estreme condizioni hanno richiesto la modifica della fresa Robbins da 5,3 m di diametro, comprendente anche l installazione del sistema di supporto McNally. Tale sistema, messo a punto e fabbricato dalla C&M McNally Engineering di Toronto (Canada), è costituito dalla sostituzione delle lame del tettuccio superiore della fresa con un insieme curvo di tasche. Esse si estendono assialmente dalla parte posteriore della testa fresante al supporto della testa entro l area do- 58 PF marzo-aprile 2011

4 ve operano le bullonatrici. Prima di ciascun avanzamento della fresa, i minatori fanno scivolare stecche di legno o acciaio all interno delle tasche, così che le stecche formino una doppia fila all interno delle tasche stesse. Le parti finali delle stecche fuoriescono dalle tasche e sono imbullonate alla corona della galleria con un nastro d acciaio. All avanzare della macchina, le stecche fuoriescono dalle tasche e sono continuamente imbullonate alla galleria mediante nastri d acciaio che si susseguono. Le stecche sono quindi nuovamente ricaricate e usate per la lunghezza necessaria a prevenire le deformazioni e le cadute di roccia. Dopo aver sperimentato condizioni geologiche estreme, penso che la fresa aperta con cambio dei taglienti dal retro fosse la sola scelta possibile per il progetto Olmos, ci ha detto John Simm, supervisore del personale di assistenza al cantiere Olmos. Una macchina scudata non sarebbe stata in grado di misurarsi con l energia rilasciata dalle rocce durante lo scoppio, dal momento che le pareti della galleria sono deformate dallo scoppio stesso. Lo scudo sarebbe stato bloccato frequentemente e danneggiato. La macchina aperta si è rilevata l ideale per misurarsi in queste condizioni e, al contempo, ha permesso di acce- Frese in terreni spingenti Le frese di tipo aperto hanno un vantaggio naturale in terreni che si chiudono, dal momento che sono prive dello scudo che potrebbe essere bloccato dalla pressione della roccia. Metodologie come spessori e sovrascavo sono comunemente usate durante lo scavo di gallerie in presenza di terreni moderatamente spingenti. Le frese aperte sono le migliori in terreni spingenti, sebbene il loro positivo utilizzo non sia così esaltante se paragonato alle prestazioni in roccia buona. Le aperte sono macchine difficili da usare in terreni spingenti o in presenza di faglie perché dovrà contemporaneamente essere progettato un sistema di supporto adatto alle condizioni geologiche, ha dichiarato Grothen. Comunque, in condizioni estreme di terreni spingenti, sia le macchine aperte che le scudate evidenziano difficoltà. L uso di una macchina aperta in condizioni severe di terreno spingente è alquanto discutibile, dal momento che il terreno può bloccare la fresa o possono verificarsi larghi rilasci di materiale che non possono essere sostenuti in avanzamento, ha detto Brox, il quale raccomandere alle necessarie operazioni di sostegno e trattamento del terreno. Winston Lewis, direttore di produzione a Olmos per il contrattista Odebrecht, pensa allo stesso modo riguardo alla selezione della macchina: Penso che in gallerie con alta copertura soggette a fenomeni di roccia esplodente la macchina ideale sia quella aperta. È un mezzo che consente di avere a disposizione spazio da contrapporre alle deformazioni dovute all esplosione delle rocce e permette il montaggio dei sostegni per il terreno il più possibile nelle vicinanze della testa. Per ciò che concerne le macchina a doppio scudo, invece, la pratica suggerisce che esse non sono le soluzioni più adatte per condizioni di roccia altamente stressata come nel caso delle rocce che deflagrano (Rock Bursting). In aggiunta ai danni allo scudo, il rivestimento prefabbricato stesso dovrà essere in grado di resistere alle tremende pressioni proprie in geologie con rocce altamente stressate. In gallerie di notevole lunghezza, con terreno fratturato non soggetto a colpi di tensione, le frese a doppio scudo possono presentare vantaggi: gli scudi impediscono alle rocce di cadere e sono ideali nel caso sia richiesto anche il rivestimento in conci. L accresciuta sicurezza e il rivestimento in contemporanea allo scavo danno però spesso luogo ad avanzamenti più contenuti. Le macchine Main Beam rimangono le più popolari tra le frese per roccia dura. Le frese aperte sono anche meno costose delle scudate (fino a un 5% di differenza) PF marzo-aprile

5 > Tecnologie Le frese a doppia testa sono necessarie quando le caratteristiche del tunnel richiedono un rivestimento prefabbricato Sostentamento del terreno Le frese aperte hanno il vantaggio di permettere il montaggio di sistemi di supporto del terreno con più anticipo e nelle immediate vicinanze della testa se paragonate alle frese scudate. Avendo a disposizione ampi spazi immediatamente a ridosso della testa, gli operatori possono facilmente inda che, in caso si preveda una sezione corta e concentrata di terreno altamente spingente, la stessa sia precedentemente scavata in modo tradizionale (D&B). La fresa aperta potrebbe essere poi fatta passare oltre quella sezione per riprendere lo scavo in terreno migliore. Anche la fresa a doppio scudo può essere dotata dei taglienti per il sovrascavo in caso di terreno spingente, anche se lo scudo rende lo scavo più problematico. Se una macchina scudata è usata in queste condizioni il rischio è quello della pressione del terreno sullo scudo, a meno che l avanzamento possa essere continuamente mantenuto senza fermi. Il maggior rischio nelle frese a doppio scudo è che possano rimanere bloccate in condizioni di terreno spingente principalmente a causa della lunghezza dello scudo, ci ha detto Brox. Disegni di scudi conici, con scudi anteriori, telescopici e posteriori di diametri progressivamente inferiori, possono essere di aiuto nell attraversare terreni moderatamente spingenti. stallare sistemi di sostentamento del terreno e operare consolidamenti al fronte della fresa. In aggiunta, sondaggi e trattamento del terreno sono operazioni molto più facili con una fresa aperta, che permette un accesso diretto al fronte. Comunque, operazioni di sostentamento del terreno nelle frese aperte, specialmente se di grande diametro, può essere un operazione complessa. Per frese di diametro maggiore a 8 m, l uso di centine sui 360 risulta essere inefficiente. Esperienze su progetti di grande diametro, ad esempio la fresa Robbins di diametro 12,4 m del progetto idroelettrico Jinping II in Cina, hanno evidenziato che le centine a piena circonferenza, così come sostegni in ferro parziali e bulloni, non sono in grado di mantenere la struttura in gallerie così grandi. Dean Brox ha espresso un opinione simile parlando di supporti meccanici del terreno in gallerie di grosso diametro: L uso di macchine a grande diametro (più di 10 m) richiede una valutazione approfondita in terreni stressati dal momento che il volume di roccia instabile diventa enorme per essere stabilizzato con i normali supporti. In simili gallerie sono spesso necessari altri tipi di sostentamento del terreno come il sistema McNally unitamente a parziali sostegni in ferro e bulloni per sostenere i notevoli volumi di roccia instabile. Le frese a doppio scudo sono un vantaggio in terreni difficili perché lo scudo fornisce una notevole protezione dei lavoratori al fronte di scavo e protegge dalle rocce che cadono e da altre difficile condizioni della galleria. Mentre il sostegno del terreno con una macchina a doppio scudo è semplificato, esistono però alcuni malintesi riguardanti l efficacia dei segmenti in calcestruzzo prefabbricati. Si ritiene spesso che lo scudo, unitamente al rivestimento prefabbricato, sia adeguato per trattenere qualsiasi tipo di roccia come di terreno sciolto. Alla luce dei fatti, ciò non è sempre vero, ci ha confidato Lok Home, presidente della Robbins. La maggior parte dei problemi in presenza di roccia o terreno sciolti si presentano nella zona della testa, che è essenzialmente uguale sia per le macchine di tipo aperta che per le doppio scudate. Quando s in- 60 PF marzo-aprile 2011

6 al fronte di scavo dove avviene la maggior parte delle sollecitazioni, ci ha detto Simm. La controparte scudata ha anch essa i propri vantaggi. Queste condizioni includono gallerie con più del 10% di terreno fratcontrano roccia che si rilascia o terreno sciolto, la testa carica il materiale (se non precedentemente trattato) formando cavità al fronte e superiormente al profilo di taglio solito della galleria. Queste cavità non sono spesso percepite con l uso di una doppio scudo. Quando si tratta di cavità notevoli si può così causare un collasso del terreno con conseguente blocco della macchina. Il problema è acuito dalle limitate capacità di sondaggio in una macchina scudata. La presenza dello scudo fa in modo che la sonda sia montata in posizione arretrata, rendendo impossibili i sondaggi direttamente al fronte e molto difficile il trattamento di alcune aree. Conclusioni Sia le macchine aperte che quelle a doppio scudo sono ideali in precise situazioni: Il vantaggio di una macchina aperta è la sua manovrabilità; esiste notevole spazio per controllare una serie di condizioni dei terreni, particolarmente in caso di terreni spingenti o rocce deflagranti; il tettuccio superiore di ridotta lunghezza permette di applicare sostegni il più vicino possibile Le frese aperte consentono di avere a disposizione spazio da contrapporre alle deformazioni dovute all esplosione delle rocce e permettono il montaggio dei sostegni per il terreno il più possibile nelle vicinanze della testa L uso di macchine a grande diametro (più di 10 m) richiede una valutazione approfondita in terreni stressati dal momento che il volume di roccia instabile diventa enorme per essere stabilizzato con i normali supporti. In simili gallerie sono spesso necessari altri tipi di sostentamento del terreno come il sistema McNally unitamente a parziali sostegni in ferro e bulloni per sostenere i notevoli volumi di roccia instabile turato, particolarmente in gallerie di notevole lunghezza e in condizioni di terreno sottosollecitato come terreni compatti. Entrambi le tipologie di macchina non sono adatte per uso in terreni sotto falda o permeabile o con fronte instabile: in tali condizioni una macchina a pressione bilanciata del fronte EPB (Earth Pressure Balance Machine) con testa del tipo mista a picchi e taglienti potrebbe essere la migliore soluzione. Per entrambi i tipi di fresa l efficienza, in un ampia gamma di condizioni, può essere aumentata con l uso di taglienti a disco di maggior diametro possibile. Su frese con cambio dei taglienti dal retro della testa fresante e diametro maggiore di 5,2 m, dischi da 19 e 20 di diametro forniscono una durata superiore e alta spinta in terreni abrasivi e duri. L effetto più evidente è la velocità dello scavo e una notevole diminuzione nel cambio dei taglienti. La morale di tutto quanto esposto potrebbe essere che ogni progetto è differente e, pertanto, è necessaria un attenta analisi per determinare la soluzione giusta. Come ha dichiarato Lok Home: In assoluto ogni macchina può dare un vantaggio se appropriata. Sia le frese aperte che a doppio scudo possono rappresentare la soluzione giusta nella corretta applicazione. PF marzo-aprile