Analisi numerica del sistema di fissaggio attraverso chiodatura nello scavo di una miniera di talco

L’esecuzione di scavi come gallerie, tunnels e miniere genera un’interazione tra terreno e strutture molto complesso e dipendente fortemente dai processi costruttivi posti in essere.

Questo lavoro prende in considerazione una miniera di talco nel comune di Lanzada in provincia di Sondrio e il sistema di ancoraggio utilizzato nello scavo della miniera: la bullonatura Swellex. 

Data la complessità del problema si è eseguita un’analisi numerica tridimensionale mediante il software Flac3D della società americana Itasca.

Esempi di tunnel

Esempi di tunnel: a sinistra miniera di estrazione, a destra galleria stradale 

I tunnel minerari 

Le miniere possono essere considerate un caso particolare di tunnel con una funzione produttiva di estrazione e sfruttamento di minerali naturali. Avendo lo scavo una funzione estrattiva e produttiva, il progetto del percorso e dei rinforzi strutturali dello scavo sono molto più semplici e legati alla giacitura e alla natura degli strati di roccia che si incontrano rispetto al caso delle gallerie infrastrutturali dove il progetto risulta molto più invasivo con dimensioni dello scavo maggiori.

Un altro aspetto contraddistintivo delle miniere rispetto alle gallerie è il concetto della sicurezza strutturale, in entrambi i casi la sicurezza strutturale deve essere garantita ma mentre nelle gallerie si fa riferimento a requisiti di sicurezza strutturale anche in condizioni di esercizio a lungo termine nel caso degli scavi minerari la sicurezza strutturale va garantita in riferimento al periodo di estrazione.

Chiodatura del terreno

La chiodatura del terreno è una tecnica di rinforzo del terreno in sito, utilizzato per la realizzazione di scavi in terreni granulari senza ricorrere ad opere di sostegno quali berlinesi o diaframmi.

La tecnica di chiodatura del terreno (“soil nailing”) consiste nell’introdurre rinforzi, i chiodi appunto, all’interno del terreno con la funzione di assorbire gli sforzi che il terreno in condizioni naturali non sarebbe in grado di sopportare. Questi sforzi possono essere legati ad uno o più dei seguenti fattori:

  • per le caratteristiche geotecniche e meccaniche (sforzi di trazione);
  • per il superamento dei valori ultimi delle caratteristiche geotecniche e meccaniche (sforzi di taglio) dovuto agli interventi antropici successivi alla fase di rinforzo, come appunto gli scavi. 

Sistema di fissaggio: Bulloni Swellex

Il sistema di bullonatura usato nel caso studio è quello ad espansione per roccia Swellex largamente diffuso nel settore minerario e di perforazione di tunnel. 

Sistema di chiodatura per roccia Sweelex

Sistema di chiodatura per roccia Sweelex

Questo bullone da roccia esclusivo è composto da un tubo saldato ripiegato su se stesso, sigillato a un'estremità, viene riespanso utilizzando un flusso d'acqua ad alta pressione fornito da una pompa speciale e da un adattatore.  Il bullone si espande all'interno del foro di trivellazione praticato nella parete di scavo.  

bullone swellex: sezione trasversale

Sezione trasversale del bullone Swellex (sopra), condizioni di funzionamento durante il fissaggio (sotto)

I sistemi di bullonatura servono a stabilizzare la massa rocciosa scavata nelle miniere e nelle gallerie sotterranee. I bulloni da roccia vengono sistematicamente disposti per trasferire il carico da una superficie instabile o dall'esterno della roccia, alla parte interna più solida della roccia. 

Sicurezza strutturale nello scavo di una miniera: le analisi numeriche di una chiodatura

Caso studio: Miniera di Brusada Ponticelli Valbrutta

La miniera di Brusada Ponticelli Valbrutta è uno dei siti minerari estrattivi più conosciuti al livello mondiale.

È situato nel comune di Lanzada (SO) e appartiene al gruppo IMI Fabi, terzo produttore mondiale di talco.

Flac3D: Codice di calcolo

La modellazione è stata eseguita con il software di calcolo Flac3D della ITASCA CONSULTING GROUP. Il software è un codice di calcolo non lineare alle differenze finite tridimensionale specifico per applicazioni nel settore strutturale e geotecnico

Il programma simula il comportamento di rocce, terre o altri materiali rappresentati da elementi o zone che formano una griglia in modo da rappresentare in modo più realistico possibile la realtà fisica sia per quanto riguarda la geometria sia per le leggi costitutive dei materiali; infatti ogni elemento si comporta secondo una legge costitutiva imposta (lineare, non lineare ecc).

La potenzialità del Flac3D è data anche dalla possibilità di inserire nella modellazione elementi strutturali sia monodimensionali (beam, cable e pile) che bidimensionali (shell, liner e geogrid) studiandone l’interazione con il terreno e il loro stato tenso - deformativo al fine di ricavare poi le caratteristiche di sollecitazione per il loro dimensionamento.

Modellazione numerica 3D

Il modello geometrico dello scavo è stato rapidamente creato nell’ ambiente Extrusion presente nel software che permette di effettuare l’estrusione di una geometria bidimensionale:

modello-bidimensionale---copia.jpg

Geometria 2D a sinistra, estrusione modello geometrico 3D a destra

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