1. Introduzione Oggetto e scopo Descrizione del progetto Risorse e Documenti di riferimento... 5

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2 Sommario 1. Introduzione Oggetto e scopo Descrizione del progetto Risorse e Documenti di riferimento Inquadramento Geologico, Geomeccanico e Idrogeologico Lo Scavo Meccanizzato Premessa Le Frese Meccanizzate La TBM a contropressione di Terra (EPB) La TBM a fluido bentonitico (Hydroshield) Classificazione fronte di scavo Abrasività dei materiali Valutazione netta di avanzamento Disk Cutter Life La manutenzione al fronte di scavo Pro e contro delle diverse soluzioni Valutazione dei consumi Premessa I consumi idrici Consumo di acqua per uso industriale Consumo di acqua per torre di raffreddamento Consumo di acqua per miscela Bi Componente da iniettare a tergo del rivestimento I consumi elettrici Lo Smarino Premessa In nastri lungo la galleria Logistica del cantiere Polcevera /78

3 5.4. Lo slurrydotto Logistica di cantiere Premessa Cantiere del Polcevera (fasi di montaggio sistemazione nastri fasi di avvio TBM) Traslazione Val Varenna Uscita Galleria Amandola (lato Savona) e traslazione verso Galleria Borgonuovo Imbocco Galleria Borgonuovo (Lato Genova) Uscita Galleria Borgonuovo (lato Savona) Conclusioni Allegati /78

4 1. Introduzione 1.1. Oggetto e scopo La presente relazione ha come oggetto lo scavo delle gallerie previste nel Progetto della Gronda di Genova attraverso l ausilio di macchine per lo scavo meccanizzato. Sono quindi state analizzate le tipologie di macchine di scavo denominate Tunnel Boring Machine idonee alla realizzazione dello scavo in accordo con la situazione geologica ed idrogeologica dell area. La necessità di analizzare le prestazioni tecniche e le possibilità di controllo degli effetti ambientali di più tipologie di macchinari presenti sul mercato adatti allo scavo delle gallerie in progetto nasce dall esigenza di appurare l effettiva analogia tecnico/ambientale tra i diversi macchinari di scavo in modo da avere un maggiore margine di flessibilità di scelta in fase esecutiva. A tale scopo si è ritenuto necessario esplicitare le differenti caratteristiche di scavo delle tipologie di macchine, in relazione sia alla gestione del fronte di scavo ed alla capacità produttiva, che alle caratteristiche dei materiali necessari per eseguire lo scavo (additivi, bentonite, eccetera). Particolare attenzione è inoltre posta al sistema di gestione del materiale scavato relativo alle problematiche geologiche per la presenza di asbesto all interno degli ammassi attraversati e quindi la necessità di garantire il controllo di tutto il flusso dello smarino dalla fresa fino al punto finale di utilizzo. Infine sono state analizzate, le problematiche legate alla cantierizzazione che si renderà necessaria per le fasi di assemblaggio, traslazione e smontaggio delle Tunnel Boring Machines lungo il tracciato delle varie gallerie. Questa relazione prende origine dalle valutazioni fatte durante le precedenti fasi progettuali che hanno di fatto confermato la fattibilità dello scavo mediante frese a piena sezione andando quindi nel dettaglio delle diverse peculiarità legate allo scavo Descrizione del progetto Le infrastrutture autostradali ricadenti n dell'area genovese (A10, A7, A12, A26), pur essendo nate per favorire gli spostamenti extraurbani, svolgono di fatto anche la funzione di tangenziale per il 3/78

5 traffico urbano e di scambio, nonché quella di ridistribuzione del traffico di attraversamento. L attuale configurazione della rete autostradale sia per le caratteristiche plano altimetriche spesso inferiori agli standard minimi, sia per il carico di traffico peraltro a forte componente commerciale è ormai inadeguata ad espletare entrambi i compiti. Il Progetto di potenziamento del nodo autostradale di Genova si è quindi posto l obiettivo di sgravare il tratto di A10 più interconnesso con la città di Genova cioè quello dal casello di Genova Ovest (Porto di Genova), passando per l aeroporto e il popoloso quartiere di Pegli, sino all abitato di Voltri trasferendo il traffico passante su una infrastruttura in affiancamento (potenziamento fuori sede). all esistente, costituendone di fatto un raddoppio La nuova infrastruttura verrà realizzata quasi completamente in sotterraneo (per oltre il 90% del suo sviluppo) e le caratteristiche sia tecnologiche che di tracciato saranno nettamente distinte tra le opere poste a destra o a sinistra del torrente Polcevera. Il Polcevera infatti oltre a costituire la maggiore incisione del tracciato, caratterizzata quindi dalla realizzazione del viadotto Genova che risulta l opera d arte all aperto di maggiore impatto sul territorio rappresenta lo spartiacque geologico tra i terreni potenzialmente amiantiferi della sua sponda destra e quelli non amiantiferi del lato sinistro, con forti implicazioni sulla scelte tecnologiche degli scavi in sotterraneo. Risulta inoltre l elemento separatore tra il tracciato articolato dei rami sul lato sinistro che si occupano di assicurare l interconnessione tra i vari tratti autostradali esistenti e la nuova infrastruttura e quello più lineare della sponda destra, da dove parte la galleria Monterosso che consente di trasferire il traffico verso Vesima, raddoppiando l A10 esistente. Questa netta divisione del tracciato ha influenzato la scelta sull uso di sistemi di scavo meccanizzato in destra Polcevera e di avanzamento tradizionale (con esplosivo o martelloni) in sponda sinistra concentrando lungo il Polcevera varie infrastrutture di servizio alla costruzione come si potrà osservare nel presente studio. In realtà anche nella porzione a sinistra del Polcevera è previsto lo scavo meccanizzato, ma limitato al cunicolo di sicurezza che affianca una delle Gallerie. Questa relazione si concentra sullo scavo meccanizzato delle gallerie in sponda destra del Polcevera. 4/78

6 Figura 1 Corografia del Progetto Gronda di Genova 1.3. Risorse e Documenti di riferimento Uno studio di fattibilità era già stato effettuato dalla scrivente per la Gronda nel Dicembre 2004 ( Confronto tecnico economico tra metodo di scavo in tradizionale e scavo meccanizzato Ns. rif _Relazione Tecnica Confronto tecniche di scavo) sul tracciato precedente, che prevedeva il sottopasso del Torrente Polcevera in sotterraneo in corrispondenza di Bolzaneto. Una nota successiva, del Settembre 2006 ( Argomenti di valutazione per l utilizzo dello scavo meccanizzato a piena sezione Ns. rif TUN002 05), ha evidenziato le problematiche emergenti per la realizzazione di un possibile utilizzo dello scavo meccanizzato mediante fresa TBM a piena sezione. La valutazione riguardava il tracciato condiviso che prevedeva la realizzazione di 4 gallerie di lunghezza variabile tra 2500 e 3000 metri circa tra i Viadotti Polcevera e Val Leira (Voltri). Nello stesso è stata presa in esame l ipotesi di attraversamento totalmente in galleria senza soluzione di continuità. In seguito, è stato redatto uno studio riguardante la scelta delle metodologie di scavo del Dicembre 2006 ( Studio per la scelta delle metodologie di scavo Ns. rif STP 002) che valutava la realizzazione delle gallerie lungo il tracciato della soluzione Gronda Alta. Sono state considerate le indicazioni illustrate nella Relazione Generale redatta a seguito del dibattito pubblico svoltosi dal 1/2/09 al 29/9/09 sul progetto preliminare Ns. rif STP 001). 5/78

7 A supporto di questa relazione sono state utilizzate le seguenti relazioni specialistiche redatte nell ambito della attuale fase di progettazione (Progetto Definitivo), che quindi diventano parte integrante della presente Relazione: Relazione Geologica e Idrogeologica generale, Relazione di Idrologia Sotterranea, Relazione Geomeccanica e di Calcolo delle Gallerie realizzate con TBM delle gallerie naturali ad ovest del torrente Polcevera. Per l analisi delle tecnologie di scavo meccanizzato sono state utilizzate le dispense del Master in Tunnelling and Tunnel Boring Machines del Politecnico di Torino, Mechanized Tunnelling in Hard Rock della Dott. Karin Baeppler. La valutazione delle performances di scavo è stata inoltre effettuata utilizzando i metodi CSM della Colorado School of Mines, Rostami 2008 Hard Rock TBM Cutterhead Modeling e il metodo NTH dell University of Trondheim, Norwegian Institute of technology Hard Rock Tunnel Boring. L articolo TBM Full face driving Recent Innovation dell ing. S.Babendererde and ing. T. Babendererde è stato utilizzato per la descrizione degli interventi iperbarici di manutenzione al fronte. Per il trattamento dello smarino, in particolar modo legato alla presenza di materiale amiantifero, si fa riferimento allo Studio metodologico e procedurale in merito alle problematiche ambientali indotte dagli scavi in ambiente amiantifero redatto in data 18 Febbraio 2011 ns. rif _RPROC_ pdf Oltre alla documentazione disponibile, la stesura della presente relazione ha beneficiato dei contributi esterni di alcuni fornitori di primo livello delle attrezzature coinvolte dal progetto, che qui elenchiamo: ABC (Canada) : copertura nastro galleria, ventilazione H+E Logistik (Germania) : nastri trasportatori Herrenkencht AG (Germania) : TBM di tipo EPB e Hydroshield, Slurrydotto Korfmann (Germania) : ventilazione e aspirazione Metso Mineral (Svezia) : slurrydotto P&H Mining Equipment (U.K.) : nastri trasportatori 6/78

8 Turbofilter (Germania): filtrazione aria, abbattimento polveri Vernazza Autogru (Italia) : sollevamenti e trasporti Zust&Bachmaier (Italia) : trasporti In generale, i vari contributi, hanno rappresentato una prima analisi delle diverse problematiche che dovranno essere approfondite in fase di redazione del Progetto Esecutivo.; in questa fase di progetto definitivo, tali approfondimenti hanno evidenziato come le ipotesi di utilizzare una fresa TBM di tipo EPB o una fresa TBM di tipo Hydroshield risultino entrambe sostanzialmente efficaci per lo scavo ed analogamente gestibili per minimizzare l impatto ambientale relativo alle emissioni ed alla gestione ed utilizzo delle terre e rocce di scavo. In entrambi i casi non variano il circuito, le modalità di trasporto delle terre (slurrydotto) ed i siti di utilizzo finale, ed inoltre non variano le modalità di caratterizzazione (silos) e le caratteristiche ambientali e geomeccaniche necessarie per il riutilizzo ai sensi del D.Lg. 152/06 (rif. MAM C AMBX SUO 002). 7/78

9 2. Inquadramento Geologico, Geomeccanico e Idrogeologico Per tutto quanto riguarda l inquadramento Geologico, Geomeccanico e Idrogeologica si deve fare riferimento alle relative Relazioni Specialistiche incluse nel Progetto Definitivo (Relazione geologica e idrogeologica generale, GEO001; Relazione geomeccanica gellerie naturali ad ovest del torrente Polcevera (formazioni alpine), TUN004). 3. Lo Scavo Meccanizzato 3.1. Premessa Lo scavo meccanizzato, come tecnologia di abbattimento per la realizzazione di tunnel garantisce, a differenza del metodo tradizionale Drill and Blast o con macchine operatrici (martelloni, ecc.), delle alte performance. É infatti possibile prevedere avanzamenti superiori ai 10 metri giorno che non potrebbero mai essere raggiunti con altre tecnologie di scavo. Inoltre, essendo un sistema industrializzato, riduce i costi di manodopera e garantisce una maggior sicurezza dei lavoratori e una maggior salubrità del luogo di lavoro. Questi aspetti, in funzione della complessità del progetto in argomento che dovrà essere realizzato sia per le lunghe distanze in sotterraneo che per la presenza di amianto, rendono la scelta dello scavo meccanizzato ottimale. Nel seguente paragrafo saranno analizzate le tipologie di macchine per lo scavo denominate Tunnel Boring Machine che possano realizzare il Progetto di Genova in funzione delle caratteristiche geologiche, geomeccaniche e idrogeologiche e di tracciato. 8/78

10 3.2. Le Frese Meccanizzate Lo scavo meccanizzato per mezzo di frese ad attacco integrale, indicate anche con la sigla T.B.M. (Tunnel Boring Machines) prevede l utilizzo di particolari macchine che permettono la meccanizzazione integrale dello scavo a piena sezione. Tali attrezzature si dividono in due grandi famiglie: TBM non Scudate TBM Scudate Le TBM aperte sono applicabili solamente in contesti in cui la qualità della roccia è tale da non richiedere l applicazione di un supporto continuo a tergo dello scavo, si tratta quindi di macchine applicate esclusivamente in roccia di buona e ottima qualità ed in assenza di carichi idraulici. In questa famiglia rientrano le TBM a singolo e doppio gripper. Le TBM scudate sono macchine che, a tergo della testa di scavo sono equipaggiate di uno scudo cilindrico dentro il quale viene installato il rivestimento in conci prefabbricati in modo da garantire il continuo supporto del contorno di scavo. Questa tipologia di TBM deve essere applicata ogniqualvolta il contesto geologico è tale da non garantire la stabilità del contorno di scavo dietro la testa fresante. Si tratta della famiglia più grande di TBM infatti è divisa in diversi sottogruppi: TBM a fronte aperto TBM a fronte chiuso Le TBM a fronte aperto, pur garantendo il supporto del contorno di scavo non applicano alcuna pressione di stabilizzazione al fronte di scavo, quindi il campo di applicazione di queste attrezzature è limitato a rocce di media e bassa qualità. Sono applicabili anche alla roccia di buona e ottima qualità ma con delle performance minori rispetto le frese non scudate in quanto la fase di scavo è interrotta da quella di montaggio del rivestimento. Ovviamente non sono applicabili in caso di presenza di battenti idraulici all interno dell ammasso roccioso oggetto dello scavo. Esiste la famiglia intermedia delle frese doppio scudate che possono operare sia come le frese non scudate e quindi senza posa del rivestimento e sia come frese scudate aperte. 9/78

11 Le TBM a fronte chiuso, oltre a garantire il continuo supporto del contorno di scavo riescono ad isolare il fronte di scavo dal resto della macchina e quindi applicare una idonea pressione di supporto. La TBM a fronte chiuso è quindi ad oggi la migliore soluzione applicabile nei contesti in cui per bassa qualità geomeccanica delle formazioni geologiche incontrate durante lo scavo oppure per la presenza di falde o battenti idraulici risulti necessario l isolamento del fronte e l eventuale applicazione di una pressione di supporto. In funzione del metodo di applicazione della pressione di supporto al fronte abbiamo quindi due tipologie diverse di TBM scudate a fronte chiuso: TBM di tipo EPB TBM di tipo Hydroshield La scelta tra le due tipologie dipende da diversi fattori quali: Granulometria attesa in camera di scavo Livelli di pressione attesi al fronte Gestione del materiale scavato Performance di scavo Figura 2 Campi di applicazione delle TBM a fronte chiuso 10/78

12 La capacità di scavo attraverso formazioni rocciose più o meno competenti oppure terreni sciolti dipende dalla configurazione della testa di scavo, infatti si definiscono tre tipologie classiche di teste di scavo: Testa di Scavo per Roccia, equipaggiata esclusivamente con cutters Testa di Scavo per Terreni, equipaggiata esclusivamente con utensili a scalpello Testa di Scavo Mista, equipaggiata sia con utensili a scalpello che con cutter E evidente che la terza soluzione, dovendo utilizzare lo spazio sia per cutter che per gli scalpelli è, di fatto, un compromesso che quindi avrà delle performance minori rispetto le relative versioni specializzate ma ha il vantaggio della universalità applicativa. Tale vantaggio è fondamentale nel caso di gallerie che attraverso situazioni geologiche nettamente diverse tra di loro. In definitiva la scelta della tipologia di TBM da adottare, cioè tra scudata e non e poi tra aperta o chiusa dipende solamente da parametri di stabilità del contorno e del fronte di scavo oppure dalla presenza di battenti idraulici. La scelta della configurazione della testa di scavo dipende invece dalle caratteristiche geomeccaniche degli ammassi che influenzano la sua fresabilità. Figura 3 Tipica Testa per terreni su TBM EPB Figura 4 Tipica Testa Mista su TBM EPB 11/78

13 3.3. La TBM a contropressione di Terra (EPB) La TBM a contropressione di terra, d ora in poi indicata con il termine EPB, è una macchina fresante scudata che permette lo scavo del terreno attraverso una testa rotante sulla quale sono installate le diverse tipologie di utensili di scavo necessarie per la roccia da affrontare. Il principio di funzionamento che la differenza da altre tipologie di macchine TBM consiste nella applicazione di un pressione di supporto al fronte attraverso il bilanciamento del materiale estratto, che avviene all interno di una camera di scavo a tergo della testa fresante, con il materiale scavato condizionato con particolari additivi chimici (schiume e polimeri). Per garantire l avanzamento, il materiale viene estratto dalla camera di scavo attraverso un sistema a coclea in grado di regolare la portata del materiale estratto e permettere il mantenimento di una certa pressione nella camera di scavo pur avendo il punto di scarico a pressione atmosferica. Questa azione è possibile grazie al percorso che il materiale è costretto a percorrere all interno della coclea e che genera un gradiente negativo di pressione sufficiente ad annullare la pressione presente nella stessa camera di scavo. Dalla combinazione di velocità di avanzamento e portata di estrazione dello smarino, deriva la pressione in camera di scavo e quindi sul fronte. La EPB, a seguito della fase di avanzamento, presenta un sistema di installazione del rivestimento composto da conci prefabbricati. I singoli conci, raggiunta la macchina attraverso un sistema di trasporto dall esterno della galleria, vengono portati con appositi sistemi a gru nella zona interna allo scudo e quindi posizionati attraverso l ausilio di una braccio meccanico denominato erettore in grado di completare l intero anello di rivestimento. Lo spazio rimanente tra il rivestimento finale e lo scavo effettivo viene riempito attraverso la coda dello scudo della EPB utilizzando una boiacca cementizia e si garantisce la tenuta della zona interna dello scudo grazie ad una serie di spazzole intervallate da camere riempite con apposito grasso. L avanzamento della macchina, completata l installazione dell anello, avviene grazie alla pressione esercitata, sul rivestimento appena installato, da cilindri di spinta idraulici. Nello schema sottostante viene illustrato brevemente il funzionamento di una fresa scudata a contropressione di terra (EPB). 12/78

14 Figura 5 Schema di una macchina TBM, tipo EPB [1. Testa Fresante; 2. Camera di scavo; 3. Parete di contenimento dotata di sistema d accesso (camera iperbarica) alla camera di scavo; 4. Pistoni di avanzamento; 5. Coclea; 6. Erettore dei conci; 7. Anelli di sostegno già posti in opera] La tipologia EPB presuppone l utilizzo di additivi da miscelare con acqua ed aria, che agevolano le operazioni di sostegno del fronte, di scavo, di accumulo del materiale in camera di scavo e di trasporto in esterno dello stesso. Tale operazione è conosciuta come Condizionamento del Terreno e viene effettuata attraverso l ausilio di agenti schiumogeni e polimeri di varia natura, caratterizzati da livelli di biodegradabilità estremamente elevati. Nel documento MAM C AMBX SUO 004 sono riportati i risultati delle analisi chimiche effettuate sui campioni di terra condizionali che mostrano la compatibilità delle terre con i limiti imposti dalla tabella 1 colonne A e B dell allegato 5 del D.Lgs. 152/06 e s.m. La scelta delle differenti tipologie di additivi è in funzione della tipologia di materiale da trattare e quindi dai parametri che è necessario dare al terreno scavato per ottenere le necessarie caratteristiche di lavorabilità. Lo sviluppo degli additivi negli ultimi anni ha permesso l applicazione della TBM EPB anche in contesti geologici che prima erano di dominio assoluto delle TBM Hydroshield. 13/78

15 Figura 6 Espansione del campo di applicazione delle EPB Gli agenti condizionanti permettono al materiale di raggiungere il livello di pastosità necessario per essere agevolmente estratto dalla coclea oltre che permettere il trasferimento della pressione di supporto dalla paratia al fronte di scavo. Inoltre questi prodotti riducono l usura sugli utensili di scavo. 14/78

16 Figura 7 Andamento della pressione lungo la colcea 15/78

17 Vengono di seguito presentati alcuni esempi di macchine modello EPB di grande diametro che hanno ottenuto ottimi risultati nei relativi progetti: Progetto linea M30 autostradale, Madrid, Spagna La macchina S 300 prodotta dalla Herrenknecht AG ha realizzato una galleria di collegamento autostradale all interno del tessuto urbano della città. Figura 8 S300 TBM modello EPB Madrid Spain Progetto linea ferroviaria alta velocità Katzenberg Germania Il progetto prevedeva l utilizzo di due TBM gemelle del diametro di 11,120 metri per la realizzazione di due gallerie ferroviarie della lunghezza di 17,968 metri per il collegamento tra la Svizzera e la zona sud della Germania della nuova linea ad alta velocità del trasporto ferroviario. Figura 9 S264 TBM modello EPB Katzenberg Germania 16/78

18 Progetto S 574 Galleria Sparvo Variante di Valico autostradale, Italia Il progetto S 574, di cui solo di recente si è conclusa la costruzione finale della macchina di scavo, rappresenta la macchina modello EPB più grande al mondo con un diametro di 15,615 metri e presenta la peculiarità di essere attrezzata per lavorare in ambiente grisutoso con particolari accorgimenti tecnici. Le operazioni di scavo inizieranno nella prima metà del 2011 per realizzare in totale circa 5,000 metri su due gallerie e si stima una conclusione dei lavori per la fine del Figura 10 S574 TBM modello EPB Galleria Sparvo Italia 17/78

19 3.4. La TBM a fluido bentonitico (Hydroshield) La fresa TBM modello Hydroshield, talvolta indicata con la denominazione Mix Shield, si differenzia dalla tipologia EPB perché l applicazione delle pressione alla testa di scavo avviene attraverso l utilizzo di un fluido bentonitico. In questa tipologia di macchina vi è la presenza di una doppia camera per generare la contropressione al fronte. La prima camera retrostante la testa di scavo (camera di scavo) è completamente piena di fluido bentonitico mentre una camera retrostante, collegata alla prima attraverso una apertura nella parte inferiore,presenta una bolla d aria nella parte superiore. Proprio questa bolla d aria permette una precisa regolazione della pressione di supporto che, grazie al principio dei vasi comunicanti, si trasmette nella camera di scavo e quindi al fronte. In questo modo, il sistema di regolazione della pressione al fronte è totalmente svincolato dal sistema di smarino, infatti la bolla d aria viene alimentata da un sistema di valvole tipo Samsung che permettono una regolazione con precisione di 0.1 bar mentre potenti pompe centrifughe vengono dedicate alla estrazione dello smarino (mescolato con il fluido bentonitico). Un ulteriore circuito è invece dedicato al rifornimento di fluido bentonitico fresco in modo da mantenere il livello di riempimento entro il range di lavoro. Come si evince dalla figura 11, raffigurante la fresa modello Hydroshield, una testa fresante su cui sono installati gli utensili di taglio asporta il materiale dal fronte attraverso la rotazione. La stabilità del fronte e la contropressione è garantita dal fluido bentonitico presente in camera di scavo. Il materiale abbattuto si amalgama al fluido bentonitico e viene asportato dalla camera di scavo attraverso la tubazione di ritorno del circuito slurry. Per evitare che pezzature di materiale estratto troppo grandi possano creare problemi nella fase di trasporto attraverso la tubazione la macchina presenta nella camera di scavo un frantumatore anteposto ad una griglia di accesso del materiale abbattuto. Il frantumatore, a mascelle, viene attivato dall operatore della fresa che, leggendo le variazioni di pressione portata sulla linea di aspirazione, si accorge della presenza di ostacoli che devono essere ridotti in pezzatura. 18/78

20 Figura 11 Sezione schematizzata scudo meccanizzato Mix Shield (Herrenknecht AG) [1. Testa Fresante; 2. Camera di scavo; 3. Parete di contenimento dotata di sistema d accesso (camera iperbarica) alla camera di scavo; 4. Circuito slurry; 5. Cuscino di aria compressa; 6. Parete di separazione sommersa; 7. Anelli di sostegno già posti in opera; 8. Erettore dei conci Nella seconda camera viene regolata la pressione della bolla d aria al fine di garantire una costante risposta alla pressione riscontrata al fronte. Il sistema prevede quindi un circuito chiuso del fluido bentonitico che attraversa un impianto di separazione necessario al recupero del fluido bentonitico e all asportazione/allontanamento del materiale abbattuto. Il sistema di separazione viene normalmente installato nell area di cantiere e quindi sono necessarie due tubazioni di grande diametro lungo tutta la galleria ed eventualmente diverse stazioni di rilancio proprio per il trasporto dello slurry (materiale di scavo + acqua + bentonite) dalla fresa all impianto e l approvvigionamento della camera di scavo di nuova miscela bentonitica. 19/78

21 Figura 12 Modulo di impianto di separazione da cantiere. Solamente in tempi recenti sono stati sviluppati dei sistemi di separazione compatti che, per gallerie di grande diametro, possono essere installati direttamente sul back up della fresa riducendo alcuni costi del trasporto dello smarino lungo la galleria laddove lo stesso viene gestito con nastri: Energetico (il sistema idraulico ha bisogno di una potenza installata anche 5 volte superiore a quella di un sistema con nastri) Usura (nel caso di materiali usuranti, il trasporto idraulico dovrà prevedere la sostituzione della tubazione e delle parti principali delle pompe) Quanto sopra espresso esclude la possibilità di un Hydroshield con impianto di separazione all imbocco per il progetto in argomento optando quindi per la soluzione con sistema a bordo macchina che consente di inglobare anche la separazione nello stesso ciclo produttivo. 20/78

22 Impianto di Separazione Figura 13 Schema tipo di installazione dell impianto di separazione a bordo macchina. Nel caso specifico sul Back Up verrebbero installati i cicloni e i vagli in modo da separare il materiale con pezzatura superiore a 30 µm e quindi inviato sul nastro per il trasporto fino all imbocco. La parte rimanente (inferiore a 30 µm) rimarrebbe nel circuito. Nel momento in cui la densità del fluido circolante supera i valori limiti, è necessario effettuare una sostituzione totale o parziale di questo fluido con acqua. Il fluido recuperato viene inviato fuori dalla galleria attraverso una tubazione, dove verrà trattato da una centrifuga che separerà il materiale inferiore a 30 µm. L acqua torbida che ne risulta può essere immagazzinata e poi utilizzata per usi industriali. Uno schema sul funzionamento dell impianto di separazione viene presentato nella figura seguente dove si evidenziano i flussi del materiale e le percentuali di recupero dell acqua dalla miscela slurry. 21/78

23 Figura 14 Schema di flusso di un impianto di separazione per TBM modello Hydroshield 22/78

24 Nel MAM C AMBX SUO 002 Prove di condizionamento del terreno delle gallerie naturali inserite nei lavori di realizzazione del progetto Gronda di Genova per l applicazione dello scavo meccanizzato di gallerie con tecnologia EPB nell ambito della convenzione tra il Politecnico di Torino e la SPEA, emesso a Aprile del 2011 è raccolta una serie di curve granulometriche di materiali di scavo provenienti da frese prevalentemente da roccia (pagine 82 95). Da una analisi sommaria di tali curve si possono assumere i seguenti valori limiti del passante a 30 µm: Limite superiore : 20% Limite inferiore : 10% Come evidenziato nella citata Relazione, il contenuto in materiale fine può essere controllato attraverso la spaziatura degli utensili di scavo (cutters), con una spaziatura maggiore si ottiene un minore contenuto in fine. Nel caso specifico e con i limiti qui sopra evidenziati si ottiene il seguente scenario. Area di scavo: 164 m 2 Produzione giornaliera: 10 metri di galleria pari a m 3 /giorno Produzione di materiale fine (<30 µm) : da 164 m 3 /giorno (426 t/giorno) a 228 m 3 /giorno (592 t/giorno). Per la separazione di tale volume di materiale saranno necessarie da 1 a 2 centrifughe da 200 kw cadauna. Per il suo trasporto lungo la galleria sarà necessaria una doppia tubazione da 200 mm di diametro equipaggiata con 10 o 20 pompe di rilancio da 20 kw cadauna. Una linea serve per pompare il materiale fuori dalla galleria mentre l altro serve per l alimentazione di acqua al circuito. Il sistema di separazione a bordo del Back Up sarà realizzato con particolare attenzione agli spazi utilizzati in modo da garantire una sua espandibilità durante i lavori di scavo. In questo modo, nel caso di una situazione geologica diversa da quanto preventivato con la conseguente maggiore presenza di materiale fine, sarà possibile integrare il sistema di separazione nel caso di una situazione geologia diversa da quella attesa. 23/78

25 Così come la lunghezza della coclea, anche la distanza tra camera di scavo e impianto di separazione influisce sulla controllabilità della pressione in camera di scavo. Maggiore è la pressione al fronte e maggiori sono i problemi all impianto di separazione che deve lavorare a pressione atmosferica. Inoltre l installazione della separazione sul sistema di Back Up sarà valutata con attenzione sia per le problematiche geometriche e sia per quanto riguarda la gestione del rischio di dispersione di fibre di amianto. L avanzamento, come visto precedentemente per la fresa modello EPB, prevede che dopo la fase di scavo un braccio meccanico vada ad installare l anello di rivestimento costituito da segmenti prefabbricati. Sui conci si attesteranno i martinetti di spinta idraulici che permetteranno allo scudo di avanzare all interno della formazione. Anche in questo caso è presente un sistema di iniezione per il riempimento a tergo dei conci di una boiacca cementizia e un sistema di tenuta dello scudo rispetto al terreno circostante con spazzole metalliche intervallate da un grasso di tenuta. La particolarità di una TBM modello Mix Shield risulta quindi la presenza di un impianto slurry per la generazione ed il trasporto del fluido bentonitico e di un sistema di separazione del fluido bentonitico con il materiale scavato. Nell ambito del progetto della Gronda di Genova, date le caratteristiche massive di molte formazioni attraversate e quindi la buona stabilità del fronte, l utilizzo del fluido bentonitico avrebbe come unico scopo la protezione della testa e delle tubazioni contro l usura. In definitiva il circuito prevedrebbe l utilizzo di sola acqua per il trasporto del materiale scavato e di una leggera quota di bentonite per la riduzione dell usura. Ricordiamo inoltre che il materiale scavato, all interno della camera di lavoro, una volta mescolato con il fluido bentonitico o con la sola acqua presenta una densità pari a 1,15 1,20 e quindi la testa di scavo trova una resistenza alla rotazione minore rispetto la fresa EPB permettendo un maggiore sfruttamento della potenza disponibile per lo scavo. Per questa ragione le teste di scavo delle frese di tipo Hydroshield operano con velocità di rotazione medie (1,5 2,0 r.p.m.). Ricordiamo che per motivi fisiologicamente legati al diametro delle frese, la testa fresante ha un limite massimo per la velocità di rotazione della testa che è legato alla massima velocità di rotazione dei cutter periferici (equivalente ad una velocità periferica di 150 m/min). Nel caso di frese di 14,5 metri di diametro il limite è pari a 3,3 r.p.m. mentre per frese di diametro pari a 16 metri il limite diventa 2.9 r.p.m. 24/78

26 Al momento attuale la tecnologia Hydroshield per macchine di grande diametro con impianti di separazione installati all imbocco ha permesso la gestione, in fase di scavo, di pressioni fino a 8 bar (in asse galleria) senza particolari problemi. Nel caso di pressioni maggiori, comunque non oltre 12 bar, dovrà essere messo in atto un sistema di estrazione dello slurry e particolari guarnizioni per il sistema di rotazione della testa. L installazione del sistema di separazione a bordo macchina, riduce sensibilmente le possibilità di gestione di alte pressioni in camera di scavo e la rende comparabile alla EPB, infatti la ridotta lunghezza del circuito di smarino fa si che la massima pressione sia pari a 4 5 bar. Vengono di seguito presentati alcuni esempi delle macchine realizzate dalla Herrenknecht AG modello Hydroshield di grande diametro che hanno ottenuto ottimi risultati di produttività in termini di tempi: Progetto collegamento stradale sottomarino tra Pudong district e l isola di Changxing, Cina Le macchine gemelle S317 ed S318 del diametro di 15,43 metri hanno attraversato il fiume Yangtze presso Shanghai, Cina per creare un collegamento stradale tra il distretto di Pudong e l isola di Changxing per una lunghezza totale di 15,000 metri di scavo in occasione dell esposizione Mondiale tenutasi nel Il progetto colossale iniziato tra Settembre e Dicembre del 2006 si è concluso tra Maggio e Settembre 2008 con 10/12 mesi di anticipo rispetto ai tempi di realizzazione previsti per l opera Figura 15 S317 TBM modello Hydroshield Shanghai Cina 25/78

27 Progetto tunnel ferroviario Hallandsas, Svezia La macchina S246 ha realizzato la linea del treno ad alta velocità della Svezia per attraversare la montagna di Hallandsas tra Malmo e Goteborg per una lunghezza totale di 11,000 metri (due canne). La scelta dello scavo in tradizionale è stato abbandonato a causa delle difficili condizioni geologiche e dell alto battente idrico. La macchina è stata infatti progettata per lavorare sotto una pressione fino a 13 bar. La grande resistenza e abrasività della roccia ha richiesto un ricondizionamento totale della testa di scavo a circa metà del tunnel e finalmente nell agosto del 2010 la prima canna è stata completata. I lavori della seconda canna avranno inizio a seguito dei necessari lavori di ricondizionamento della macchina. Figura 16 S 246 TBM modello Hydroshield Hallandsas, Svezia 3.5. Classificazione fronte di scavo La complessa situazione geologica attraversata dal tracciato delle gallerie in progetto, come evidenziato sia dalla Relazione Geologica e Idrogeologica Generale che dalla Relazione Geomeccanica delle Gallerie ad Ovest del Torrente Polcevera, richiederà alla TBM differenti modalità operative di avanzamento. In prima analisi è possibile individuare 3 diverse modalità operative di avanzamento in funzione delle caratteristiche del fronte di scavo (per il momento tali modalità sono indicate indipendentemente dalla tipologia di fresa da adottare): 26/78

28 Modalità Open Mode : in situazioni di fronte stabile, assenza di pressione di falda (oppure con permeabilità tale da ridurre eventuali ingressi di acqua a piccoli stillicidi) ed assenza di amianto in formazione. In questa situazione la fresa può lavorare a fronte aperto cioè con la camera di scavo completamente vuota. Questa configurazione è compatibile con le frese di tipo aperto e sistema di smarino diretto con nastro. Nel caso di EPB oppure Hydroshield si dovrà comunque sempre garantire un minimo riempimento della camera di scavo per permettere lo smarino. Da punto di vista della produttività rappresenta la condizione migliore, sia in fase di avanzamento (alte velocità nette) che di manutenzione (tutte in condizioni normobariche). Modalità Close mode per la presenza di asbesto: in questo caso il fronte di scavo è stabile e lo scenario della falda è equivalente a quello precedente, ma vi è il rischio di presenza di amianto nelle formazioni incontrate e quindi è necessaria la chiusura della camera di scavo senza il suo completo riempimento e quindi messa in pressione. Questo scenario è compatibile con le frese del tipo EPB oppure Hydroshield che sono in grado di lavorare anche con un riempimento parziale della camera di scavo e che possono garantire il completo isolamento del fronte. Modalità Close mode per stabilità del fronte e/o venute di acqua: questa condizione (che può associarsi o meno alla presenza di amianto) richiede l applicazione di una pressione di supporto al fronte di scavo per le seguenti ragioni (alternativamente o contemporaneamente presenti): Stabilizzazione del fronte di scavo caratterizzato da una situazione geomeccanica scadente e quindi non abile all auto sostegno (sia in fase di scavo che di fermo macchina) Protezione della camera di scavo da ingressi di acqua che, in ragione del carico idrostatico e della permeabilità del fronte, renderebbero impossibile l avanzamento della fresa Questo scenario è gestibile sia con le frese di tipo EPB che del tipo Hydroshield. Nella tabella sottostante, in funzione delle unita geologiche attraversate dal progetto e con evidenza della lunghezza di tratta attraversata si riportano le diverse modalità di avanzamento. 27/78

29 Tabella 1 Possibili modalità operative di avanzamento in funzione della formazione attraversata per la Galleria Monterosso Galleria Formazione Argilloscisti Filladici Alternanze Argilloscisti Calcari Metapeliti Lunghezza (indicativa) [m] Pressione di Supporto Amianto Presenza di Acqua Modalità Operativa ,5 bar No No Chiusa 450 3,5 bar No No Chiusa Calcari 100 No No Si Chiusa Note Metabasalti No No No Aperta Serpentiniti Tettonizzate 300 3,5 Si Si Chiusa Galleria Monterosso Metabasiti/Me tagabbri Alternanze Argilloscisto e Calcari Argilloscisti e scisti No No Aperta 150 3,5 No No Closed 150 3,5 No Si Chiusa Serpentiniti 150 3,5 Si No Chiusa Calcare 300 No Si Si Chiusa Amianto nelle zone di contatto Dolomie Si Si Chiusa Alternanze (RLO CS SAC) 100 3,5 Si Si Chiusa Serpentiniti Si No Chiusa Calcescisti Si Si Chiusa 28/78

30 Tabella 2 Possibili modalità operative di avanzamento in funzione della formazione attraversata per le Gallerie Amandola e Borgonuovo Galleria Formazione Lunghezza (indicativa) [m] Pressione di Supporto Amianto Presenza di Acqua Modalità operativa Note Calcescisti Si No Chiusa Amianto nelle zone di contatto Metagabbri Si No Chiusa Alternanze 50 0 Si No Chiusa Galleria Amandola Serpentiniti con peridotiti Si No Chiusa Metabasiti 50 0 Si No Chiusa Peridotiti lherzolitiche Brecce Tettoniche Serpentinitiche Calcescisti + Brecce Serpentiniti Brecciate Alternanze Calcescisti Metabasiti Serpentiniti Metabalsti Alt. Calcescisti serpentiniti Si No Chiusa Si Si Chiusa Si Si Chiusa Si No Chiusa Si No Chiusa Si Si Chiusa Si Si Chiusa Serpentiniti Si No Chiusa Calcescisti Si No Chiusa Amianto nelle zone di contatto Galleria Borgonuovo Serpentiniti Si Si Chiusa Serpentiniti + Metabasiti Calcescisti + metabasiti Calcescisti + sac Si No Chiusa Si No Chiusa Si No Chiusa Sac 50 0 Si No Chiusa 29/78

31 Si riassume nella tabella la distribuzione percentuale degli scenari possibili: Galleria Monterosso Aperta ~ m (20%) Galleria Amandola Galleria Borgonuovo Tabella 3 Distribuzione percentuali modalità di avanzamento Per amianto (no pressione e no acqua) ~ m (25%) ~ m (75%) ~ m (85%) Chiusa Per amianto (no pressione e con acqua) ~ 800 m (15%) ~ 380 m (5%) ~ 200 m (15%) Con Pressione ~ m (40%) ~ m (30%) Tracciato complessivo ~ 10 % ~ 60 % ~ 10 % ~ 20 % 30/78

32 3.6. Abrasività dei materiali Il progetto della Gronda di Genova, presenta per l utilizzo delle frese di scavo una problematica di abrasività dei materiali attraversati che andranno a generare alta usura dei cutter di scavo e delle wear parts installate sulla macchina. In linea generale, nello scavo meccanizzato, si considerano due tipi di usura: Usura Primaria, che si sviluppa sugli utensili di scavo che vengono sostituiti nelle regolari fasi di manutenzione; Usura Secondaria, che si sviluppa sulla carpenteria della testa fresante e sui supporti degli utensili. Si tratta di una tipologia di usura molto pericolosa in quanto provoca dei danni che richiedono interventi di manutenzione di tipo straordinario, dal momento di inizio ha una velocità di sviluppo impressionante e può causare seri danni strutturali. Questo fenomeno si contrasta grazie ad una corretta manutenzione degli utensili di scavo e regolare ispezione delle condizioni degli stessi. La valutazione di abrasività dei vari materiali può essere grossolanamente stimata attraverso il contenuto equivalente in quarzo, (parametro difficile da quantificare se non con una prova specifica a microscopio ottico di campioni rappresentativi), o attraverso una prova regolarmente utilizzata nell ambiente dello scavo meccanizzato per la valutazione dell usura degli utensili di scavo conosciuta come Cerchar test dal quale si ricava un indice di abrasività della roccia (Cerchar abrasività index CAI). Il Cerchar test viene effettuato attraverso l incisione di un campione di roccia su una superficie di fratturazione generata. Per l incisione si adopera la strumentazione illustrata in figura, che attraverso l ausilio di un punteruolo in acciaio trattato deve penetrare la roccia per almeno 10 mm. Alla fine delle prova si valuta un diametro medio della parte soggetta ad abrasione del punteruolo. Il vantaggio di questo test è la possibilità di eseguire la prova anche su campioni di roccia con superficie irregolare. L indice restituito dalla prova denominato CAI è direttamente correlabili alla vita degli utensili di taglio delle frese TBM. I valori di CAI index variano da 0,5 per le rocce tenere a bassa abrasività (ad esempio calcare), fino ad un valore di 4 per le rocce più dure ed abrasive. 31/78

33 Figura 17 Cerchar test Le formazioni attraversate presentano un alto grado di abrasività attestandosi su valori medi di CAI index tra 2 e 3. Inoltre, vanno messe in evidenza alcuni tratti particolari dove andranno attraversate formazioni geologiche con CAI index di 4 per la formazione delle Lehrzoliti. Si dovrà quindi porre particolare attenzione all usura degli utensili di taglio e degli impianti a contatto diretto con il materiale di scavo. A tal proposito, nella presente relazione si affronterà l argomento in un paragrafo dedicato Cutter life. Riteniamo inoltre importante evidenziare che alcune Università molto attive in questo campo, come la Colorado School of Mine e la NTNU (Norges Teknisk Naturvitenskapelige Universitet), hanno sviluppato delle prove per la determinazione dell usura sugli utensili di scavo delle TBM, per esempio il Soil Abrasion Test (SAT) Valutazione netta di avanzamento La valutazione della velocità di avanzamento è stata calcolata utilizzando il metodo della Norvegian Institute of Tecnology (NTH). Il metodo NTH è un metodo empirico basato sull esperienza, originalmente sviluppato per TBM aperte, in roccia consistente, di diametro inferiore ai 10 m; per poterlo applicare alle nostre geometrie e condizioni, i grafici di riferimento sono stati estesi fino ai diametri di nostro interesse ed è stata valutata la penetrazione netta relativa al limite di carico aggiornato degli utensili a disco (da 280 kn a 315 kn di carico assiale per disco). Il metodo valuta la penetrazione in funzione delle 32/78

34 caratteristiche dell ammasso roccioso (qualità dell ammasso, spaziatura delle discontinuità, caratteristiche della roccia intatta). Per quanto riguarda la modellazione geomeccanica dell opera, sono state evidenziate sette unità geologiche principali e per ognuna di esse sono stati implementati i metodi di analisi utilizzando i dati riportati nelle schede geomeccaniche allegate allo studio di fattibilità. In funzione delle potenze delle unità da incontrare durante lo scavo delle gallerie sono state calcolate le velocità di avanzamento. In sede di progetto esecutivo sarà possibile rivalutare tali velocità di avanzamento utilizzando eventuali nuovi dati geomeccanici. La geometria di scavo in analisi è relativa al diametro determinato nella presente fase progettuale: m, diametro nominale di riferimento Tabella 4 Stima delle velocità netta media con metodo di calcolo NTH per le differenti Gallerie NTH Tecnologia EPB Hydroshield Diametro [mm] Monterosso Amandola Borgonuovo Velocità Netta Media [cm/min] Velocità Netta Media [cm/min] Velocità Netta Media [cm/min] Disk Cutter Life In questo paragrafo saranno trattate solamente le problematiche relative ai Cutter Tools, cioè gli specifici utensili per lo scavo in formazioni rocciose. La valutazione dell usura degli utensili è fondamentale per la valutazione delle velocità di scavo: lo stato di usura dei disk cutters incide direttamente sulla penetrazione nel fronte di scavo e maggiore è il tempo dedicato alla loro manutenzione minori saranno le produzioni. 33/78

35 La classificazione dell usura di cui al paragrafo 3.6 è applicabile anche ai Cutter Tools, in questo modo: Usura primaria, è quella che si sviluppa solamente sulla parte rimovibile dell utensile e adibita al contatto diretto con il fronte di scavo Usura secondaria, è quella che si sviluppa sul corpo intero dell utensile, cioè nelle zone dove non è previsto il contatto diretto con il fronte di scavo In condizioni ideali, l usura del cutter si deve sviluppare solamente sul tagliente, cioè l anello in acciaio speciale che presenta un profilo specificatamente realizzato per lo scavo. Tale anello è facilmente sostituibile (in officina) mantenendo la struttura portante del cutter stesso (corpo, assiale e relativi cuscinetti), rappresenta quindi la situazione ideale di usura che permette una facile manutenzione e l ottimizzazione degli utensili. In alcuni casi si possono sviluppare delle situazioni anomale di usura, che possono evolvere in rotture vere e proprie: Blocco del cutter e relativo spiattellamento dell anello di taglio fino alla usura (secondaria) del corpo di supporto Perdita dell anello di taglio e quindi usura (secondaria) del corpo del cutter Usura del corpo oppure della protezione della guarnizione, con conseguente blocco del cutter Nella seguente figura si possono vedere diversi tipi di usura dei disk cutters, sia di tipo normale (che riguardano solamente l anello di taglio) che quelle anomali. 34/78

36 Figura 18 Tipiche usure dei disk cutters L usura primaria sul cutter rappresenta la condizione ideale di lavoro in quanto è governata da fenomeni regolari, sufficientemente prevedibili, tali da permettere una pianificazione dell attività manutentiva. Ovviamente è necessario conoscere bene la natura della roccia interessata dallo scavo (vedere paragrafo 3.6). L usura secondaria e le rotture rappresentano una problematica potenzialmente molto pericolosa per lo scavo in quanto si tratta di fenomeni irregolari e quindi imprevedibili dalla cui origine si può sviluppare anche una usura secondaria sulla testa di scavo. Generalmente questi fenomeni vengono amplificati dai seguenti fattori: Cattiva scelta dei cutter (guarnizione inefficace, cuscinetti di scarsa qualità) Sovraccarico sugli utensili, dovuto ad una cattiva conduzione della fresa (monitoraggio spinta sulla testa) oppure uno stato di fratturazione tale da determinare scalini e quindi locali concentrazioni di carichi 35/78

37 Usura del corpo del cutter dovuta al materiale in rimescolamento nella camera di lavoro, generalmente questo fenomeno cresce con l aumento della pressione di lavoro (specialmente nel caso di fresa di tipo EPB) È impossibile escludere il rischio di questa tipologia di rotture o usure secondarie, anche se è possibile adottare modalità di gestione dell avanzamento tali da ridurne la frequenza (utilizzo di condizionanti adatti, monitoraggio spinta e/o penetrazione, scelta dei componenti). È invece fondamentale monitorare questi fenomeni, in modo da evitare in modo assoluto che da un problema localizzato al singolo cutter si sviluppi un usura secondaria sulla testa fresante, mediante frequenti controlli in camera di scavo e immediate sostituzioni. Un cutter bloccato, nel caso di roccia mediamente abrasiva, viene completamente distrutto nell ambito di 5 6 avanzamenti. La valutazione della vita utile dei dischi è stata sviluppata utilizzando il metodo NTH. Sono stati calcolati due parametri importanti: il tempo medio dedicato alla manutenzione dei cutters in funzione dell abrasività dei materiali incontrati durante lo scavo delle gallerie e la vita utile in termini di metri cubi di materiale scavato per ogni disk cutter. Tabella 5 Stima della Manutenzione cutter e del cutter life con metodo di calcolo NTH per le differenti Gallerie NTH Tecnologia EPB Hydroshield Diametro [mm] Monterosso Amandola Borgonuovo Manutenzione Cutters [min/metro] Manutenzione Cutters [min/metro] Manutenzione Cutters [min/metro] Cutter life [mc/cutter] /78

38 Nel calcolo delle produzioni medie giornaliere, il valore di incidenza della manutenzione cutter (min/metro) ottenuto dal modello di calcolo, sono stati aumentati in modo da tenere conto delle seguenti condizioni peggiorative: Grande diametro e quindi movimentazione dei componenti La testa di scavo è progettata secondo il design closed Mode sostanzialmente diverso dalle testa da roccia classiche (origine dei modelli) Possibile presenza di pressione al fronte Nella tabella seguente i fattori di incremento della incidenza temporale per la manutenzione cutters. Tabella 6 Fattori di incremento per incidenza temporale sulla manutenzione Argilloscisti Dolomie e calcari Calcescisti Serpentiniti Metabasalti Lherzoliti Zone di Faglia 1,6 1,4 1,4 1,4 1,4 2,0 15,0 37/78