Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, Microtunnelling e Horizontal Directional Drilling

Con il termine “Scavo in Sotterraneo” si intendono tutte le realizzazioni antropiche che prevedono l’apertura di una cavità nel sottosuolo e possono essere suddivise in caverne, pozzi e principalmente in gallerie di ogni dimensione e tipologia di sezione. Queste opere s’identificano nell’asportazione del terreno, creando la cavità, producendo l’avanzamento del fronte di scavo. La fase di scavo o abbattimento del terreno, è un’operazione che inevitabilmente turba gli equilibri naturali preesistenti nell’ammasso generando al suo interno mutamenti di carattere tensionale, geomeccanico e idrogeologico.
Dal punto si vista tensionale, il campo originario di tensioni, uniformemente distribuite nel volume di terreno interessato, viene deviato all’esterno della cavità in avanzamento (canalizzazione delle tensioni), con la conseguente formazione di zone di sovrasollecitazione in corrispondenza delle sue pareti.
La realizzazione di scavi in sotterraneo, servono principalmente alla realizzazione di infrastrutture idro-fluviali, stradali, ferroviarie e per la posa di reti di servizi e sottoservizi.
Nell’ambito dei campi d’applicazione di cui sopra, particolare sviluppo negl’ultimi anni stanno avendo le nuove tecniche di scavo meccanizzato avanzato tra le quali la TBM, il Microtunnelling e l’Horizontal Directional Drilling.
La macchina TBM (Tunnel Boring Machine) è impiegata per la realizzazione di gallerie di diametro superiore ai 3000 mm infatti, inferiore a tale valore, si parla di Microtunnelling. Il principio di funzionamento delle due macchine è sostanzialmente lo stesso solo che le scale di realizzazione sono decisamente diverse in termini di diametro della sezione della cavità scavata nonché, della dimensione della macchina che, nel caso della TBM, può raggiungere anche diverse centinaia di metri di lunghezza.
L’Horizontal Directional Drilling (HDD) nota anche come Trivellazione Orizzontale Controllata (TOC), serve principalmente all’installazione di tubazioni in polietilene o in acciaio.
La tecnologia del Microtunnelling e quella HDD, offrono innumerevoli vantaggi d’installazione come la riduzione al minimo di scavi in superficie, l’eliminazione dell’interruzione del traffico veicolare, il superamento di ostacoli fisici quali possono essere fabbricati, fiumi, laghi, strade, ecc.

TUNNEL BORING MACHINE
Le TBM sono macchine che consentono un alto grado di industrializzazione, rivelandosi nella pratica una “fabbrica mobile” che scava il terreno e monta i conci prefabbricati come se fosse una vera e propria catena di montaggio. Visti i costi elevati di tali macchine e la necessità che vengano scelte in maniera adeguata per il materiale che andranno a scavare, è naturale che le indagini geologiche preventive ricoprano un ruolo di fondamentale importanza al fine di ottimizzare sia gli investimenti che le prestazioni delle stesse TBM. L’interesse per lo scavo con macchine a piena sezione è grande per i vantaggi che esso offre in confronto allo scavo tradizionale e/o con esplosivo:
• cantiere con migliori condizioni di sicurezza;
• lavoro più semplice per gli operatori;
• i minatori di una volta non sono più necessari;
• galleria, come prodotto industriale, di migliore qualità;
• velocità costruttiva molto alta;
• tempi e costi costruttivi preventivati con grande affidabilità;
• una testa rotante sulla quale sono collocati gli utensili d’abbattimento, aventi la funzione di disaggregare la roccia;
• un sistema di propulsione e guida che spinge innanzi la testa fresante permettendo l’avanzamento della macchina;
• un apparato di sgombero atto a liberare il fronte dai detriti avviandoli ai mezzi di trasporto.

Figura 1 - TBM Weinberg tunnel Altstetten-Stazione di Zurich-Oerlikon

La testa della TBM, dotata di moto rotatorio, è comandata da motori elettrici posti nella zona posteriore della macchina e da sistemi elettromeccanici o idraulici di regolazione della velocità.
Il funzionamento della macchina prevede che gli utensili di scavo penetrino nella roccia, la polverizzino localmente creando intense sollecitazioni di trazione e taglio. Quando è raggiunta la resistenza limite della roccia al di sotto di ciascun disco, si formano fratture che intersecandosi fra loro formano scaglie.

Figura 2 - Big Becky - Robbins (Niagara Tunnel Project TBM)

La testa di una macchina flessibile che deve affrontare una forte eterogeneità delle caratteristiche della roccia lungo il tracciato, deve essere progettata in modo da poter scavare sia roccia compatta sia roccia degradata o roccia debole, fino anche, eventualmente, terreno sciolto nelle zone di faglia.
La TBM deve, quindi, presentare dischi e denti che permettono di attaccare e distaccare la roccia compatta e la roccia degradata o i terreni sciolti. I dischi devono essere posizionati leggermente più avanti dei denti, in modo che nella roccia compatta i denti non svolgano alcun ruolo nello scavo della galleria.
Gli organi di propulsione e contrasto sono costituiti da una o più coppie di piastre, le quali vengono spinte dai rispettivi martinetti idraulici (facenti parte del corpo della macchina) contro le pareti della galleria (ovviamente di sezione circolare). Altri cilindri, appoggiandosi sulla struttura così ancorata alle pareti, mandano innanzi la testa durante un’intera corsa d’abbattimento. Quando la macchina venga dotata di scudo, la propulsione può avvenire anche, alternativamente al sistema prima descritto, mediante spinta sui conci di rivestimento messi in posizione alle spalle della macchina.
L’apparato di sgombero dello smarino, è costituito da due serie di organi posti in zone differenti: da tazze disposte sulla periferia della testa atte ad asportare il detrito dal fronte; da un trasportatore ad alette raschianti che riceve il detrito proveniente dalle tazze di carico e, attraversando il corpo della macchina, lo rovescia sui mezzi di sgombero.
Il corpo centrale e la coda della macchina, contengono, oltre ai motori, i servizi accessori (trasformatori, serbatoio del fluido idraulico, pompe, organi di messa in opera dei sostegni, dispositivi d’illuminazione, cabina di guida, compressori, ventilatori, ecc.).
Alla macchina segue un traino (back-up) costituito da una struttura atta a ricevere ed avvicendare i mezzi di sgombero del detrito e ad approvvigionare la zona di lavoro dei materiali necessari (elementi di armatura, parti di ricambio, ecc.), nonché a ricevere attrezzature che consentano di predisporre particolari operazioni riguardo alle opere di sostegno (per es. proiezione del calcestruzzo spruzzato).

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