Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth...

12
1 Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, Microtunnelling e Horizontal Directional Drilling Massimo Chiarelli, Ingegnere Progettista e Consulente esterno 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.

Transcript of Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth...

Page 1: Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth Pressure Balance TBM La differenza sostanziale nell’impiego di tali frese consiste

1

Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, Microtunnelling e Horizontal Directional Drilling Massimo Chiarelli, Ingegnere Progettista e Consulente esterno

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.

Page 2: Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth Pressure Balance TBM La differenza sostanziale nell’impiego di tali frese consiste

2

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

Page 3: Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth Pressure Balance TBM La differenza sostanziale nell’impiego di tali frese consiste

3

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). Classificazione delle TBM e relativi campi di applicazione Dall’epoca dei primi pioneristici tentativi, vari costruttori meccanici si sono cimentati in questa sfida, introducendo nel mercato differenti tipi di macchine, ognuno dei quali meglio si adattava alle diverse condizioni geologiche dei tracciati da scavare o alle più diverse condizioni progettuali.

Figura 3 - La sezione di una macchina TBM – EPB

Vi sono diversi schemi, a livello mondiale, per la classificazione delle macchine di scavo di gallerie, ma è chiaro che una semplice classificazione non può offrire, da sola, criteri per la scelta della migliore macchina. Le TBM possono essere suddivise ad oggi in due principali categorie riportate nella tabella seguente:

Tabella 1 - Classificazione delle TBM

TBM per lo scavo di gallerie in ammassi rocciosi.

Sono usualmente impiegate per lo scavo di lunghe gallerie in rocce di resistenza medio-alta con coperture da moderate ad elevate e in buone condizioni di stabilità. Il problema di base per questo tipo di macchina è l’abbattimento della roccia. ▪ Hard Rock Machine

(HRTBM)

TBM per lo scavo di gallerie in terreni sciolti. Sono normalmente usate per lo scavo di gallerie di lunghezza

limitata in terreni generalmente omogenei e sciolti e con presenza d’acquifero a pressione limitata. Il problema di base da affrontare con questo tipo di macchine è quello della stabilità dello scavo e del fronte d’attacco. Infatti, la stabilizzazione del fronte trattato con additivi chimici “Soil Conditioning”, avviene attraverso un bilanciamento delle pressioni in testa mediante lo stesso terreno scavato.

▪ Slurry Shield Machine (STBM)

▪ Earth Pressure Balance Machine (EPBM)

Page 4: Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth Pressure Balance TBM La differenza sostanziale nell’impiego di tali frese consiste

4

Le prime applicazioni dello scavo meccanizzato, impiegato in alternativa al metodo di scavo tradizionale, interessarono quelle gallerie per le quali le condizioni lungo il proprio asse si avvicinavano a quelle ideali per le due categorie di macchina sopra riportate. Successivamente l’impiego delle TBM fu esteso anche a gallerie con condizioni geologiche complesse e/o miste. Come risultato, furono sviluppati nuovi tipi di macchine in grado di funzionare in un vasto campo di condizioni geologiche. Nonostante ciò, la distinzione tra TBM per rocce e TBM per terreni sciolti è rimasta. Le STBM e le EPBM sono in genere impiegate per lo scavo in sotterraneo delle linee metropolitane che attraversano a pochi metri dal piano campagna terreni alluvionali quali ghiaie, sabbie, limi ed argille o, episodicamente, livelli rocciosi molto teneri, degradati, costituenti spesso il substrato d’alterazione di sistemi rocciosi sottostanti più consistenti.

Figura 4 - Earth Pressure Balance TBM

La differenza sostanziale nell’impiego di tali frese consiste nella metodologia di stabilizzazione del fronte utilizzando lo stesso terreno scavato. Nel caso della STBM ciò avviene attraverso il trattamento del suolo mediante l’utilizzo di slurries bentonitici mentre, nel caso della EPBM, il bilanciamento delle pressioni in testa avviene trattando il terreno con particolari additivi chimici (schiume e polimeri).

MICROTUNNELLING Il Microtunnelling (MTBM) è la tecnica per la posa senza scavo di condotte interrate con sezioni non ispezionabili mediante l’uso di frese scudate (microtunneller) telecomandate a guida laser. Le caratteristiche peculiari del sistema sono:

precisione nella posa delle tubazioni consentita dal sistema laser di guida e dal sistema computerizzato di gestione e monitoraggio dell’avanzamento;

possibilità di utilizzo del sistema con diversi tipi di terreno (argille, sabbie, ghiaie) anche in presenza di acqua di falda;

ridotto ingombro delle attrezzature di cantiere e dei pozzi;

possibilità di realizzare lunghi tratti di condotta con unica spinta;

non è richiesto l’utilizzo di tubi pilota o di protezione a perdere (camicia). L’unica operazione tradizionale rimane il caricamento e l’inserimento delle tubazioni all’interno di un pozzo armato con dimensioni idonee allo svolgimento delle attività lavorative. Questa tecnologia, inoltre, permette di infiggere i tubi in un ambiente già equilibrato senza creare rilasci al terreno circostante, mantenendo inalterate le strutture superiori. Questa tecnica avanzata di scavo è usata principalmente per l’installazione di condotte in gres, vetroresina, acciaio o cemento armato precompresso per fognature, reti di acqua potabile, reti di approvvigionamento energetico e/o comunicazione.

Page 5: Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth Pressure Balance TBM La differenza sostanziale nell’impiego di tali frese consiste

5

Figura 5 – Rappresentazione dell’area di cantiere per la realizzazione di un microtunnel

Si possono posare tubazioni di diverso diametro variabili da 300 a 3000 mm. Il sistema Microtunnelling è una soluzione economica e affidabile per la realizzazione di reti sotterranee di piccolo diametro per mezzo del metodo di scavo Trenchless. Le attrezzature sono compatte e, quindi, anche lo spazio di lavoro ridotto. Ciò rende possibile la realizzazione di progetti nei centri urbani o in luoghi stretti e/o congestionati con un impatto minimo sulla viabilità e sulle normali attività dei residenti locali. Con il sistema microtunnelling si eseguono condotte sotterranee in terreni di qualsiasi natura e consistenza, anche sotto falda, con sistema a spinta controllata. Le tratte di tubazione realizzate con questo sistema, considerata la gamma di micro TBM oggi disponibili, raggiungono lunghezze considerevoli grazie alla possibilità di inserire una o più stazioni di spinta intermedie. Esse permettono di costruire reti principali di servizio il cui diametro varia, come già detto, da 300 a 3000 mm mentre, le distanze massime coperte da un solo pozzo di spinta variano da 100 m fino a 700÷800 m per una macchina di 2000 mm di diametro.

Figura 6 - Pozzo di spinta e di inserimento tubi in C.A.

L’unità di perforazione è guidata da un sistema laser di rilevamento continuo che consente di individuare in tempo reale gli eventuali errori di traiettoria e di applicare conseguentemente le necessarie correzioni. Esse vengono apportate agendo sulla spinta per mezzo di martinetti idraulici esterni all’unità di perforazione e su martinetti direzionali ubicati all’interno dell’unità di perforazione (steering cylinders), consentendo alla testa della micro fresatrice di essere orientata. Nello specifico, per allineamenti rettilinei, la macchina utilizza un sistema di guida la cui mira attiva è situata nella testa fresante e la traiettoria è tracciata in tempo reale alla

Page 6: Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth Pressure Balance TBM La differenza sostanziale nell’impiego di tali frese consiste

6

postazione di comando della macchina mentre, per allineamenti curvi, il sistema di guida si basa su un giroscopio.

Figura 7 - Una micro TBM in fase di scavo

Con l’applicazione di questa tecnologia, le deformazioni in superficie sono assai limitate, se non del tutto assenti, grazie alla contemporanea immediata posa in opera della tubazione. Nel caso di scudo “a fanghi” (hydroshield), ciò è garantito dalla contropressione esercitata al fronte di scavo dai fanghi di perforazione (fresa EPB). Il materiale di scavo o smarino, in funzione della natura del terreno da attraversare, è trasportato all’esterno da un sistema di rimozione il quale può estrarre il materiale in maniera solida o attraverso un sistema a circolazione di fango bentonitico (slurry).

Figura 8 - Rappresentazione di un microtunnel

La micro fresa è dotata di strumenti che consentono lo scavo del terreno per taglio mediante speciali dischi progettati a seconda del tipo di terreno da attraversare. Per terreni sciolti vengono utilizzate delle ruote dentate. Per i terreni rocciosi sono usati dischi da taglio con frese a disco.

HORIZONTAL DIRECTIONAL DRILLING Le tubazioni installate adottando il procedimento HDD servono principalmente al trasporto di petrolio greggio, metano, prodotti petrolchimici, acqua, scarichi. Spesso vengono posati anche tubi di protezione per la posa di cavi elettrici o fibre ottiche. Rappresentano importanti campi d’applicazione i passaggi sotto:

fiumi, laghi, estuari, paludi, ecc.;

strade, ferrovie, piste aeroportuali;

biotopi;

zone inaccessibili;

superfici degne di protezione.

Page 7: Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth Pressure Balance TBM La differenza sostanziale nell’impiego di tali frese consiste

7

Nell’ambito dell’esecuzione delle Horizontal Directiona Drilling si distinguono essenzialmente tre fasi:

esecuzione del foro pilota (Pilot bore hole);

trivellazione/i di allargamento del perforo (Back-Reaming);

tiro-posa della condotta (Pull-Back). Queste operazioni principali rispecchiano sostanzialmente il modo di lavoro standard da adottare, ma possono essere soggette a forti variazioni in funzione del procedimento seguito. Le singole operazioni possono essere modificate, variate ovvero sostituite o integrate con altre operazioni in funzione dei requisiti dello specifico progetto.

Figura 9 – Macchina Rig pronta per l’esecuzione del Pilot Bore Hole

Con questa tecnologia vengono installate tubazioni in polietilene o acciaio e possono essere eseguite a “secco” oppure ad “umido”. Si dice avanzamento ad “umido” quando si ricorre ad un getto di fluido costituito da acqua e bentonite per allentare il terreno durante la trivellazione ovvero, rimuovere il cutting di perforazione verso l’esterno mediante la circolazione del fluido nel foro (dall’interno verso l’esterno). In caso di posa di tubazioni di piccolo diametro, la fase di alesatura del cavo può essere omessa riducendo i tempi di esecuzione ovvero, le dimensioni delle macchine impiegate ottenendo una riduzione anche delle aree di cantiere e dei costi.

Esecuzione del foro pilota (Pilot bore hole) La trivellazione pilota si esegue lungo una linea di trivellazione predeterminata tra il punto di entrata (Entry Point), davanti alla macchina di trivellazione, e un punto di uscita sul lato opposto dell’ostacolo (Exit Point).

Figura 10 – Rappresentazione dell’esecuzione del Pilot Bore Hole

Page 8: Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth Pressure Balance TBM La differenza sostanziale nell’impiego di tali frese consiste

8

Essa viene realizzata mediante un “tronco di trivellazione” di misura adatta anche alle operazioni successive previste dalla tecnologia, percorrendo un’area determinata in funzione delle esigenze progettuali detta anche volume libero di sviluppo del tracciato di perforazione. La prima componente del tronco di trivellazione è lo scalpello il quale avrà il compito di allentare il suolo. A seconda del tipo di suolo si utilizza uno scalpello ad ugelli (Jet-Bit) per le operazioni di allentamento prevalentemente idrauliche oppure, uno scalpello da roccia con motore (rock-bit con mud motor) per operazioni di allentamento idraulico-meccaniche. Dopo lo scalpello di trivellazione segue un elemento angolare (Bend-Sub). Si tratta di un elemento di asta piegato dotato di un angolo definito (circa 0,5°÷ 2,5°). Questo elemento angolare ha il compito di cambiare la direzione di lavoro dello scalpello di trivellazione (Tool-Face). Ciò avviene girando di piccoli importi l’elemento angolare mediante l’asta di trivellazione pilota, agendo dalla macchina di trivellazione (Rig) installata sopra il livello del suolo.

Figura 11 - Testa tricono - Pilot bore hole

Spingendo di nuovo il tronco di trivellazione nel suolo, lo scalpello opera in direzione della nuova direzione di lavoro Tool-Face. Mediante appositi movimenti di rotazione dell’asta di trivellazione pilota risulteranno, in questo modo, impostabili svariate direzioni di lavoro e, quindi, differenti linee di trivellazione della TOC. Per essere in grado di seguire con l’utensile di trivellazione un asse predeterminato sarà necessario conoscere in qualsiasi momento la posizione precisa della testa porta punta nel sottosuolo. Mediante appositi strumenti di rilevazione, è possibile individuare dalla superficie la posizione della testa di perforazione nel sottosuolo. L’ultima componente del tronco di trivellazione pilota sarà l’asta di trivellazione stessa. Quest’ultima è composta da singole barre (Joint) che, nell’ambito della tecnica di trivellazione di grandi dimensioni, presentano una lunghezza di oltre 9 m e vengono realizzate in acciaio altamente resistente secondo le specifiche API. I compiti di quest’asta sono la trasmissione delle forze di compressione, delle forze di trazione e delle coppie avviate dall’impianto di trivellazione nonché, dell’adduzione del getto del fango di perforazione (Mud Mix), pompato ad alta pressione, agli ugelli dello scalpello di trivellazione. Dopo che sarà stata trivellata la prima asta, ne verrà aggiunta un’ulteriore e, per ciascuna di esse, sarà eseguita una precisa determinazione della posizione della testa portapunta, memorizzandone il valore effettivo nel calcolatore, confrontandolo con il valore di progetto. In questo modo il Responsabile della trivellazione sarà in grado di operare in qualsiasi momento le regolazioni appropriate per raggiungere i valori finali richiesti dopo ciascuna asta di trivellazione.

Page 9: Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth Pressure Balance TBM La differenza sostanziale nell’impiego di tali frese consiste

9

La trivellazione pilota si conclude allorquando lo scalpello di trivellazione raggiungerà il punto di uscita predeterminato (Exit Point) sulla superficie del suolo. Alesatura del foro pilota (Back-Reaming) La seconda operazione nell’ambito dell’esecuzione di una trivellazione orizzontale sarà l’allargamento del foro pilota (Pre-Reaming). Per fare ciò verrà montato uno specifico apparecchio di trivellazione sul lato di uscita della trivellazione (alesatore o Reamer). A seconda delle condizioni del suolo si tratterà di un Barrel Reamer (per terreni morbidi), di un Fly-Cutter (per terreni di media solidità) oppure di un Hole-Opener (per terreni solidi).

Figura 12 - Alesatori - Da Sinistra a destra: Fly-Cutter; Barrel Reamer; Hole-Opener L’alesatore, accoppiato dinamicamente con il tronco di trivellazione, verrà tirato in modo rotante all’impianto di trivellazione attraverso il suolo ed allargherà il foro di trivellazione, a seguito del suo maggiore diametro esterno, facendogli raggiungere un nuovo diametro. Per supportare il lavoro di allentamento meccanico, mediante i denti o i rulli applicati sull’alesatore, sarà pompato nuovamente slurry ad alta pressione attraverso l’asta di trivellazione il quale fuoriuscirà dagli ugelli applicati sull’alesatore. In questo modo ha luogo l’allentamento idraulico del terreno di supporto mediante il getto degli ugelli che talvolta si fa carico, particolarmente nelle formazioni morbide, della maggior parte dell’intero lavoro di allentamento. Un’ulteriore funzione importante dello sciacquo a getto di fango di perforazione è lo scarico dei detriti di trivellazione (smarino o cuttings) dal foro di trivellazione ed una stabilizzazione della cavità perforata contro deformazioni e/o collassi.

Figura 13 – Rappresentazione della fase di alesaggio

Per ciascuna asta di trivellazione smontata sull’impianto di trivellazione verrà aggiunta sul punto di uscita direttamente una nuova asta di trivellazione. In questo modo si troverà in qualsiasi momento un tronco di trivellazione completo nel cavo, indipendentemente dalla posizione dell’alesatore. Con l’apparire dell’alesatore all’impianto di trivellazione sarà conclusa la prima operazione d’ampliamento. A seconda del diametro della tubazione da installare, seguiranno ulteriori operazioni di allargamento con alesatori di dimensioni maggiori fino al raggiungimento del diametro finale necessario del canale di trivellazione. Normalmente il diametro finale del cavo sarà di un fattore 1,3÷1,5 più grande del diametro del tubo da installare (Over Cut). Tiro-Posa della condotta (Pull-Back) Come ultima operazione nell’ambito dell’esecuzione di una trivellazione orizzontale controllata, il tubo di produzione preparato a piè d’opera sarà inserito nel foro di trivellazione (pull-back).

Page 10: Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth Pressure Balance TBM La differenza sostanziale nell’impiego di tali frese consiste

10

Figura 14 – Rappresentazione del varo della condotta

Come prima parte del cosiddetto corredo d’inserimento, verrà avvitato un alesatore nell’asta di trivellazione situata nel foro di trivellazione. Seguirà un’articolazione girevole (swivel) che ha lo scopo di evitare la trasmissione della torsione sulla tubazione. Detta articolazione girevole sarà collegata alla testa di trazione tramite elementi di collegamento altamente resistenti. La testa di tiro (Pull head) rappresenta uno scudo terminale per la tubazione da installare. La testa di tiro è saldata alla tubazione ed è dotata di una possibilità di fissaggio sul lato anteriore per gli elementi di collegamento. Per l’inserimento della pipeline nel cavo eseguito, il tronco di trivellazione sarà ritirato in modo rotante verso il Rig e dal quale verrà smontata singolarmente ciascuna barra.

Figura 15 – Vista generale di una colonna di varo in acciaio

Anche durante questa operazione, se la posa viene eseguita in “umido”, sarà pompato il fango di perforazione attraverso l’asta di trivellazione e fuoriuscirà dall’alesatore attraverso gli ugelli di quest’ultimo. Il fango di perforazione scarica il suolo sedimentato dal foro di trivellazione e riduce contemporaneamente l’attrito tra la tubazione e la parete del foro di trivellazione.

Page 11: Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth Pressure Balance TBM La differenza sostanziale nell’impiego di tali frese consiste

11

In una trivellazione ultimata non possono essere inseriti non solamente tubi singoli, ma anche fasci di tubi con tubi di diametri o materiali diversi.

Figura 16 - Varo di una condotta in acciaio DN 1200 mm

Registrazione dei parametri di controllo Per il successo di una Horizontal Directional Drilling, durante le singole operazioni dovranno essere rilevate, registrate e sorvegliate continuamente le grandezze seguenti:

forze di trazione e di compressione sul tronco di trivellazione;

quantità e numero delle barre di trivellazione;

numero di giri del tronco di trivellazione;

coppia per la rotazione del tronco;

pressione del getto di fango di sciacquo di trivellazione;

volume del getto di fango di sciacquo di trivellazione (tasso di pompaggio);

tempo;

densità del getto di fango di sciacquo;

viscosità plastica del getto di fango di sciacquo.

CONCLUSIONI Le tecniche di scavo meccanizzato avanzato TBM, Microtunnelling e Horizontal Directional Drilling, trovano largo impiego nella costruzione di gallerie metropolitane, la posa di reti di servizi e sottoservizi. Il progresso e l’uso di queste tecnologie negl’ultimi vent’anni, è dovuto principalmente alla loro versatilità nel realizzare lo scavo in differenti condizioni geo-litologiche anche nell’ambito di uno stesso progetto. In particolar modo quando si affronta lo scavo di gallerie e cavità in terreni soffici o rocce spingenti, tipici degli ambienti urbani nei quali lo scavo ha un impatto maggiore soprattutto nei confronti delle strutture circostanti. Lo sviluppo dello scavo meccanizzato è destinato a crescere sempre di più in quanto costituisce una valida soluzione dal punto di vista economico e di sicurezza nel modo di realizzare le opere di ingegneria civile in sotterraneo, rispetto alle metodologie tradizionali.

Page 12: Tecniche avanzate di scavo in sotterraneo mediante TBM, … · 2013-11-21 · Figura 4 - Earth Pressure Balance TBM La differenza sostanziale nell’impiego di tali frese consiste

12

Bibliografia

[1]. Massimo Chiarelli – “L’Arte del costruire gallerie” – Editrice | Uni Service, Trento, 2009. [2]. Massimo Chiarelli – “La tecnologia TOC per tubazioni in polietilene”, Strade & Autostrade n° 101, EDI-CEM Srl, Milano. [3]. Massimo Chiarelli – “L’attraversamento di aree in frana con rilevati stradali e ferroviari super leggeri”, Strade & Autostrade n° 78,

EDI-CEM Srl, Milano. [4]. Massimo Chiarelli – “Lo scavo meccanizzato TBM nella realizzazione di Tunnel”, Atti del convegno - Fiera Internazionale del Libro -

Lingotto Fiere, Torino, 2009. [5]. Massimo Chiarelli – “Le vibrazioni degli edifici indotte dalle ferrovie sotterranee”, Strade & Autostrade n° 44, EDI-CEM Srl, Milano. [6]. Massimo Chiarelli – “Il rinforzo delle Pavimentazioni stradali in conglomerato bituminoso con reti in fibra di vetro”, Strade &

Autostrade n° 47, EDI-CEM Srl, Milano. [7]. Massimo Chiarelli – “Le argille espanse nella costruzione di rilevati artificiali” - Atti del convegno "Manutenzione Ordinaria e

Straordinaria della rete viaria" – Ente Provincia di Macerata (settore viabilità) ed ANAS, Macerata, Gennaio 2004. [8]. ASTM F 1962 – Guide for Use of Maxi-Horizontal Directional Drilling for Placement of Polyethylene Pipe or Conduit Under

Obstacles, Including River Crossing.