Metodo di scavo convenzionale: il drill & blast nella costruzione di tunnel

Nel mondo delle costruzioni sotterranee, esistono due metodi principali per lo scavo di gallerie nella roccia: metodi di scavo convenzionali e metodi di scavo meccanizzati. Il primo include la potente tecnica Drill & Blast, mentre il secondo è meglio conosciuto per gli scavi eseguiti con enormi macchine denominate Tunnel Boring Machines (TBM)

C’è da dire però, che da circa un decennio il metodo di scavo drill & blast è passato ad essere considerato non convenzionale prendendo il posto che prima aveva lo scavo meccanizzato mediante TBM. Oggigiorno infatti, è molto frequente la realizzazione di tunnel mediante mezzi meccanici, specialmente in ambito urbano, riservando al metodo drill & blast speciali occasioni in cui non si può procedere all’apertura di un tunnel in maniera “convenzionale”. 

Limiti di applicazione del metodo drill & blast

Il metodo può essere utilizzato in tutti i tipi di rocce e rispetto al metodo meccanico con TBM, il costo di iniziale di esecuzione del tunnel risulta essere generalmente inferiore. 

La lunghezza del tunnel nella scelta del metodo di scavo

Per contro, dal punto di vista della produzione giornaliera, ovvero nell’avanzamento alla costruzione, il metodo presenta una produzione inferiore rispetto ad uno scavo eseguito con macchina TBM. Un ruolo importante lo occupa anche la lunghezza del tunnel nella scelta del metodo di scavo visti i costi onerosi di impianto cantiere e della macchina TBM stessa che ne scoraggiano l’utilizzo per tunnel di lunghezza inferiore ai 2 km.

Di norma, per scavi di lunghezza superiore a 4÷5 km si utilizza spesso una TBM, mentre per lunghezze non superiori a 1,5 km, la tecnica Drill & Blast è generalmente la scelta migliore (sempreché non possano essere impiegate tecnologie alternative).

La questione della vibrazioni che genera

Prevedendo l’uso di esplosivo per l’apertura del cavo, il drill & blast comporta un’importante limitazione alla sua applicazione che è data dai livelli di vibrazione generati. L’energia sviluppatasi con il brillamento delle mine produce per buona parte lavoro, che si traduce in frantumazione della roccia e relativo spostamento dal proprio sito. Solo una parte dell’energia viene trasformata in onde sismiche che si propagano nel terreno, radialmente ed a forte velocità, (2000÷5000 m/sec) provocando un’oscillazione del terreno stesso, che viene chiamata vibrazione, la cui intensità dipende direttamente dalla quantità di esplosivo fatta brillare.

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Figura 1 – Abbattimento del fronte in galleria mediante esplosivo

Allontanandosi dalla zona di esplosione la velocità di oscillazione delle particelle, attorno alla posizione di equilibrio, tende a diminuire. In pratica, dunque, si genera nell’ambiente circostante il foro da mina un fenomeno assimilabile, in grandi linee, ad un terremoto naturale dal quale si differenzia per la più elevata frequenza delle vibrazioni e per la minor ampiezza delle oscillazioni. Sono stati fatti molti studi per individuare i vari parametri, che possono meglio caratterizzare le onde sismiche, al fine di valutare la loro attitudine a produrre danni. Anche gli studi condotti personalmente sul fenomeno delle vibrazioni indotte sulle strutture (Chiarelli 2004), hanno evidenziato che la velocità di vibrazione, associata alla frequenza, sia il parametro che meglio si adatta allo scopo. Altri colleghi considerano, invece, valida l’associazione di accelerazione e frequenza in particolare quando si vuol tenere conto non solo della quantità di energia trasmessa ma anche dal modo in cui essa è trasmessa.

È stato osservato che per distanze limitate, qualche decina di metri, le frequenze di vibrazioni trasmesse sono notevolmente maggiori nelle rocce rispetto alle terre. Le ampiezze di oscillazione, invece, misurate nelle terre, sono 2÷3 volte superiori a quelle misurate nelle rocce.

Le rocce compatte si comportano quasi elasticamente, assorbono meglio energia e trasmettono vibrazioni di frequenze ben maggiori, dell’ordine di 20÷80 Hz, che non i terreni sciolti, dove difficilmente si superano i 10 Hz.

È da notare che la frequenza tende, comunque, a diminuire col crescere della distanza dal punto di scoppio.

La presenza di fratture, faglie o stratificazioni può rinforzare, in direzioni preferenziali, le ampiezze di certe componenti delle vibrazioni trasmesse ed inoltre può dar luogo a interferenze, riflessioni di onda, complicando notevolmente il fenomeno dello smorzamento naturale da parte del terreno.

Ne consegue che nella roccia, in genere, si possono far esplodere cariche di esplosivo maggiori che non nel terreno sciolto senza danni dovuti alle vibrazioni.

La velocità è, comunque, la grandezza più comunemente adottata ai fini delle correlazioni con gli effetti dinamici delle vibrazioni.

Nel grafico in figura 2 sono riportati i valori di riferimento per la velocità di vibrazione per campi di frequenza 1 - 100 Hz ammissibili sulle fondamenta degli edifici in base alla classe di costruzione secondo la normativa UNI 9916 : 2004.

Nel grafico di figura 2 le classi indicano rispettivamente:

Classe 1 - Costruzioni industriali, edifici industriali e costruzioni strutturalmente simili;

Classe 2 – Edifici residenziali e costruzioni simili;

Classe 3 - Costruzioni che non ricadono nelle classi 1 e 2 e che sono degne di essere tutelate. 

Campi di frequenza ammissibili sulle fondamenta degli edifici in relazione alla classe di costruzione

Figura 2 – Campi di frequenza ammissibili sulle fondamenta degli edifici in relazione alla classe di costruzione - UNI 9916 : 2004.

L’esperienza mostra che i limiti riportati nel grafico precedente, siano da considerarsi validi per la tutela della stabilità degli edifici ma che siano troppo elevati per garantire gli edifici da qualsiasi danno in particolare arrecato agli intonaci, ai rivestimenti ed alle decorazioni (Chiarelli 2004).

Per frequenze fino a 50 Hz, si ritiene che la velocità di vibrazione della componente prevalente non debba superare il valore di 1, 3 e 8 mm/sec sulle fondamenta degli edifici rispettivamente appartenenti alla I, II, e III classe e che il valore della velocità risultante non debba, parimenti, superare i 3, 5, 10 mm/sec.

Superando detti limiti, in maniera sistematica, sorgono sicuramente problemi alle strutture seppure di livello minore.

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All'interno l'articolo prosegue con la descrizione delle varie FASI DI ESECUZIONE
  1. Perforazione
  2. Caricamento e brillamento
  3. Ventilazione 
  4. Smarino
  5. Rivestimento temporaneo e definitivo
  6. Mappatura geologica
  7. Progettazione delle perforazioni

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