Nuovo concetto di scavo nelle gallerie sotto pressione

> Dal cantiere Robbins
di S.J. Wilson
Nuovo concetto
di scavo
nelle gallerie
sotto pressione
Sono trascorsi
100 anni dalla
prima idea di
realizzazione del
tunnel peruviano
sotto le Ande
“Trans-Andean
Olmos Tunnel” e,
dal 1950, sono
stati molteplici i
tentativi di scavo.
La galleria si
sviluppa sotto
2.000 m di rocce
vulcaniche, che lo
rendono il secondo
tunnel al mondo in
quanto a profondità
R
occia fratturata, spingente
ed esplosiva hanno fatto di
questo tunnel per irrigazione un progetto molto complesso. Ma ora nuove prospettive tecniche, comprendenti differenti metodologie di supporto del terreno e intensivi programmi di stabilizzazione, stanno
cambiando gli scenari di scavo, massimizzandone la sicurezza.
A un oceano di distanza, un progetto simile, in presenza di alta copertura, è stato recentemente realizzato a 600 m di
“profondità”, al di sotto delle Alpi. Il tunnel di accesso del Monte Ceneri, localizzato in Svizzera presso Sigirino, è stato
completato in anticipo sui tempi previsti e con importanti risultati. La fresa
Robbins del tipo aperto da 9,7 m di diametro è stata appositamente disegnata
con taglienti a disco da 19” per gallerie
ad alta copertura.
Entrambi questi progetti dimostrano che
frese di questo genere, accoppiate a me-
todologie appropriate di supporto del
terreno e al disegno della testa fresante,
permettono lo scavo di alcune delle più
profonde gallerie al mondo.
Scavo del tunnel transandino Olmos
La macchina, del diametro di 5,3 m, iniziò lo scavo nel 2007 con il sub-contrattista Odebrecht Peru Ingenieria y Construccion, S.A.C. (OPIC). Nel 2004, il lavoro era stato assegnato in concessione
ventennale dal governo peruviano e regionale del Lambayeque al contrattista
generale Concesionaria Trasvace Olmos,
S.A. La fresa aperta sta scavando questa
galleria della lunghezza di 13,9 km che
trasferirà l’acqua del fiume Huancabamba a est delle Ande alle aree desertiche
sul lato del Pacifico. Circa 40.000 ettari di
terreno pianeggiante saranno irrigati al
completamento della galleria, risolvendo
una situazione critica per la regione dello
Lambayeque che riceve al momento solo
215 mm di pioggia all’anno.
PF | gennaio-febbraio 2011
73
> Dal cantiere
facilmente rimanere bloccato in presenza di terreni che tendono a richiudersi.
“Per noi la macchina ‘aperta’ è sempre stata considerata la sola soluzione possibile. Abbiamo sposato questo disegno dopo
innumerevoli discussioni e incontri”, ci ha
dichiarato Jose Luis Torres de la Piedra
della Odebrecht.
Sempre l’alta copertura del tunnel ha reso
necessario lo studio di un sistema di smarino molto particolare in grado di contrastare i 54° di temperatura che si potevano
aspettare all’interno del tunnel. Gli ingegneri Robbins hanno pertanto progettato un sistema di ventilazione e di raffreddamento dell’aria che si potesse adattare alla elevazione del cantiere (1.080 m),
Con i suoi 13,9 km di lunghezza,
il tunnel transandino Olmos
è il secondo del mondo
nella sua tipologia
Le condizioni geologiche
La posizione della galleria nel massiccio
delle Ande presenta numerose difficoltà (la montagna, formatasi 24 milioni di
anni fa, è relativamente giovane e geologicamente complessa).
All’interno del tunnel di Olmos si trova
una grande varietà di rocce che variano dagli scisti alle rocce argillacee, quarziti scistose e porfidiche , andesiti, tufo
e brecce piroclastiche. La durezza varia,
per la quasi totalità della galleria, da 60 a
175 MPa UCS. “La presenza di intrusioni
granitiche contestualmente agli altri tipi di
roccia rappresentano un rischio, dal momento che il contatto tra i materiali intrusivi e la roccia, associate con l’acqua presente nel sottosuolo, possono compromettere le zone altamente sollecitate e fratturate”, ha dichiarato Dean Brox, consulente
per la Hatch Mott Mac Donald.
La notevole copertura crea altresì ulteriori rischi: “Uno dei rischi principali di questa galleria è la sua localizzazione a più di
1.500 m di profondità, per una significante
lunghezza, ed è pertanto soggetta a notevoli tensioni. In presenza poi di diversi tipi
di roccia con valori moderatamente bassi,
ci si potranno aspettare significanti tensioni e rilasci dell’ammasso roccioso intorno
allo scavo della fresa. Ciò riguarda anche
violenti e subitanei rilasci della roccia relativa al perimetro dello scavo definiti come
veri e propri colpi di tensione”, ha dichiarato Brox. Queste sovratensioni si mani74
PF | gennaio-febbraio 2011
Il progetto e lo schema originale di assemblaggio della TBM Robbins prevede un particolare sistema
di raffreddamento dell’aria che consente di ridurre la temperatura interna del tunnel a 32°C
festano solitamente sul fronte della fresa,
cosicché è necessario installare i supporti
immediatamente dietro la testa fresante
per proteggere i lavoratori e stabilizzare
le pareti della galleria.
Disegno della fresa
e del sistema di smarino
Gli ingegneri Robbins hanno disegnato
la macchina partendo dall’assunto delle
alte coperture presenti sopra la galleria
e includendo pertanto due bullonatori
e una sonda con la possibilità di iniezioni sui 360°. Non è mai stato considerato
uno scudo, dal momento che questo può
ottenendo un’aria meno densa e con ridotte capacità di trasferimento del calore.
Un sistema composto da quattro raffreddatori dà come risultato una temperatura
di 32°C nella zona di lavoro della macchina e del sistema di smarino.
Due raffreddatori sono montati in serie
sui carri del sistema di smarino. L’aria,
dal portale della galleria, fluisce a circa
12 m3/s passando nella galleria attraverso
la condotta flessibile di ventilazione (diametro 1.600 mm), dov’è spinta per mezzo di un ventilatore in ripresa e 100 m di
condotta da 762 mm di diametro ai due
raffreddatori montati sui carri del sistema
di smarino. L’aria è poi fatta confluire in
avanti e trasferita al fronte del sistema di
smarino e della fresa usando una sezione
in ferro di condotta telescopica che permette movimenti relativi tra la fresa e i
carri. I due raffreddatori addizionali ricircolano l’aria e la raffreddano ulteriormente ad un ritmo di 7,5 m3/s.
Metodologie dei tipi di supporto
Al lancio della macchina, nel marzo 2007,
le condizioni della roccia erano abbastanza
stabili. Dal 2009, però, la macchina è entrata in sezioni di galleria con alte coperture
dove i minatori sperimentarono congiuntamente a grandi faglie e caverne a cattedrale colpi di tensione che non potevano
essere contenuti usando solo rete, bulloni e
centine: “Abbiamo incontrato circa 1.200 m
di roccia altamente fratturata con oltre
8.500 colpi di tensione (rockburst) annotati. Cavità si formarono anche durante lo
scavo e dovettero essere intensamente iniettate con malta”, ha dichiarato John Simm,
sovraintendente Robbins in cantiere.
Per controllare al meglio questa nuova situazione, Robbins e Odebrecht decisero
di modificare e installare un nuovo tipo di
supporto del terreno. I supporti in estensione del tettuccio superiore della macchina furono eliminati e rimpiazzati dal
sistema McNally fornito dalla C&M Mc
Nally Engineering di Toronto (Canada).
“Il sistema di sostegno McNally fornisce il
beneficio di un supporto continuo lungo
l’area del tetto della galleria, proteggendo
i minatori dalle rocce che si staccano”, ha
detto Brox. La stessa struttura di supporto
può essere installata lungo le pareti della galleria come ulteriore protezione nei
casi di condizioni di tensione della roccia.
Il sistema è altresì adattabile alle differenti
condizioni della roccia. Con gallerie poco profonde e stratigrafia geologica orizzontale può usare supporti con capacità di sostentamento relativamente basse
e facilità di installazione. Per tunnel più
profondi, in presenza di alte condizioni
di tensioni della roccia, possono essere
installati supporti pesanti con notevoli
capacità di tenuta, ma che possono essere sempre installati dalla macchina durante lo scavo.
Lungo i 2.000 m di tracciato del tunnel Olmos
la TBM Robbins dovrà superare terreni cedevoli
e rocce compatte
La macchina viene adattata per il sistema
McNally sostituendo i piatti di protezione distribuiti sul tettuccio superiore della
fresa della macchina a contatto della roccia con profilati vuoti a sezione rettangolare. Questi profilati si estendono assialmente dalla parte posteriore della testa
a tutto il supporto della stessa all’interno dell’area dove lavorano le bullonatrici.
Prima di ogni spinta della fresa la squadra
inserisce all’interno delle tasche dei profilati (stecche di acciaio o legno) in modo
da avere inserite in profondità a ciascuna tasca due file di stecche. Le parti finali
delle stecche fuoriescono dalle tasche e
sono imbullonate al soffitto della galleria
con una bandella flessibile. All’avanzare
della macchina, le stecche fuoriescono e
sono costantemente imbullonate al soffitto del tunnel usando ulteriori bandelle flessibili. Le stecche sono poi caricate
nuovamente e usate per la lunghezza della galleria per prevenire deformazioni e
cadute di materiali.
Per ridurre i fenomeni di scoppio della
roccia sul fronte della macchina dovuti alla tensione del cavo fu sviluppato un unico
sistema di pretrattamento del terreno da
parte di Winston Lewis, direttore di produzione della Odebrecht. Il sistema consiste in microcariche di esplosivo posizionate in fori della profondità tra 12 e 15 m.
“Abbiamo sviluppato questa metodologia
per creare vuoti e fratture sul fronte di scavo della macchina e smorzare così tutta la
tensione accumulata dalla roccia che potrebbe creare notevoli danni alla fresa”,
ci ha detto Lewis. Una versione simile di
questa sistema fu originariamente utilizzata nelle miniere in Cile per aumentare
la sicurezza prima dello scavo.
Dopo aver rimosso i supporti dalla TBM Robbins, i tecnici hanno montato un nuovo sistema di
sostegno composto da lastre di acciaio imbullonate alla volta del tunnel
PF | gennaio-febbraio 2011
75
> Dal cantiere
Il sistema di sostegno McNally consente di
stabilizzare e proteggere le pareti del tunnel
prevenendo cadute di rocce e frane nella zona
posteriore allo scudo
Durante lo scavo della fresa, la sonda viene utilizzata per creare dai tre ai cinque
fori sul fronte dello scavo; ogni foro ha
un angolo verso il basso tra 6° e 12° che si
adatta al piano di stratificazione della roccia per fare in modo che le fratture possano verosimilmente allargarsi, rilasciando
la pressione sulle rocce circostanti e riducendo/prevenendo pericolosi fenomeni
dovuti alle tensioni accumulate.
Lo scavo in rocce fratturate o rotte sul
fronte può oltretutto provocare anomali
fenomeni di usura alla testa fresante. Per
questo motivo, gli ingegneri della Robbins
pensarono di aggiungere piastre di usura
dello spessore di 19 mm congiuntamente a barrotti quadri da 50 mm (chiamati
“Boomerang”) davanti a ciascun tagliente. I Boomerang proteggono i corpi di ciascun tagliente dalle rocce che tendono a
bloccare e cedere, scoppiando sul fronte di scavo. “Questa modifica ha ridotto
i tempi morti per il cambio dei taglienti e
la necessità di entrare nella testa per manutenzione, pratica che può essere pericolosa con questi generi di roccia”, ha dichiarato Simm.
Dal momento della realizzazione delle
76
PF | gennaio-febbraio 2011
Dopo l’installazione del sistema di
sostegno McNally, la TBM Robbins ha
aumentato la velocità di avanzamento
fino a 674 m/mese
modifiche, l’avanzamento della fresa è aumentato con produzioni mensili di 674 m.
L’aumento degli avanzamenti è rimarchevole considerando altresì che, nel frattempo, si sono succeduti due allagamenti che
hanno coperto l’area di cantiere di fango
e cancellato le strade di accesso. Si prevede il completamento della galleria per
la fine di quest’anno.
Taglienti di grande diametro
per il Monte Ceneri
Mentre i sistemi di sostentamento del
terreno sono essenziali nei casi di gallerie con alte coperture, la progettazione
della testa fresante risulta essere un fattore determinante per l’efficienza dello
scavo e gli avanzamenti delle macchine.
I taglienti a disco da 19” di diametro hanno il vantaggio di poter scavare con rocce
molto più dure e terreni che si chiudono
con, in aggiunta, una notevole diminuzione nella sostituzione dei gruppi.
Come accennato nell’introduzione, nel
2008 l’ingresso principale della galleria
di base del Monte Ceneri è stata scavata
sotto 600 m di copertura usando una fresa aperta Robbins del diametro di 9,7 m.
Inizialmente fu scavato un tunnel pilota per determinare la geologia all’entrata
della galleria, composta da scisti, molassa
Svizzera e gneiss metamorfici del gruppo
del Ceneri con valori dai 30 ai 130 Mpa
UCS. La fresa fu quindi costruita sulla base di tale geologia come “Fresa Aperta ad
Alte prestazione – High Performance –
con taglienti da 19” che permettono una
maggiore durata, riduzione dei fermi per
la sostituzione e maggiori produzioni paragonati ai taglienti standard da 17”.
Un notevole spazio aperto subito a ridosso della testa permette ai minatori il
montaggio di un’ampia varietà di supporti per il terreno in funzione delle diverse
condizioni geologiche.
I supporti per il terreno includevano il
montaggio di rete metallica sul soffitto
della galleria coprendo 240° della circonferenza del tunnel, chiodi e 1,4 m3 di calcestruzzo proiettato per metro scavato.
Il personale provvedeva poi al montaggio
continuo di tubo di drenaggio e al riempimento della base della galleria a tergo
fresa con un pavimento dello spessore di
1,6 m in calcestruzzo per avere la galleria
pronta per il montaggio dei binari.
La fresa Robbins ha completato con successo il tracciato del tunnel d’ingresso
entro la data stabilita. L’appropriato disegno della testa, risultante in un basso
consumo di taglienti e alti avanzamenti,
è stato il fattore determinante per il successo della macchina. “La prestazione dei
taglienti è stato in assoluto il risultato più
impressionante di questo progetto”, ha dichiarato Ferruccio Borroni, presidente di
Robbins Europa.
I taglienti a disco hanno scavato un totale di 167.000 m3 di roccia e la macchina
ha mantenuto un avanzamento medio di
18,5 m/giorno. L’usura dei taglienti è sta-
La TBM Robbins da 9,7 m utilizzata per lo scavo del tunnel Ceneri in Svizzera è equipaggiata con dischi di taglio da 19” specifici per il tunneling a
grande profondità
ta minima per tutta la durata dello scavo,
con tempi morti ridotti per la sostituzione.
“Abbiamo sostituito solo 30 taglienti durante lo scavo”, ci ha confidato Emanuele
Tabet, Direttore di Cantiere per il consorzio CMC (Consorzio Monte Ceneri).
La lunga durata e la penetrazione sono
le caratteristiche principali dei taglienti
a disco da 19”, che danno come risultato
finale alte produzioni e avanzamenti nelle
macchine che li usano.
I taglienti da 19” possono operare a 311 kN
paragonati al limite dei 267 kN dei taglienti da 17”. Anche utilizzando carichi
superiori, la vita dei cuscinetti è superiore
nei taglienti da 19”. Operando a 311 kN,
i cuscinetti utilizzati nei 19” sono solo
all’84% del carico massimo ammissibile dove, con i 17”, a 267 kN il carico è al
93% dell’ammissibile. L’alta capacità dei
cuscinetti, assieme all’aumentata capacità di lubrificazione, si concretizzano in
limitate rotture nei cuscinetti e in una
migliore penetrazione in rocce dure e
terreno che si chiude.
L’aumento nel diametro dà come risultato un aumento nella vita dei taglienti. Il volume di usura permissibile prima
che il tagliente sia sostituito è aumentato di circa un terzo con i taglienti da
19”. Quest’aumento si traduce in metri
aggiuntivi di roccia scavata per anello
tagliente e, quindi, nella diminuzione di
sostituzione. In conclusione, meno taglienti sostituiti si traducono in meno
fermi della macchina e produzioni di scavo superiori.
Conclusioni
Molto può essere fatto per diminuire i
rischi legati agli scavi di gallerie con notevoli coperture e, contemporaneamente, ottenere buone produzioni in avanzamento. Appropriati sistemi di supporto
del terreno, unitamente ad un’attenta
progettazione della macchina e a taglienti di largo diametro, possono massimizzare la disponibilità della macchina allo scavo.
La sfida è ora rivolta alle gallerie con co-
perture notevoli poste in aree remote
e montagnose. Secondo Brox “è difficile
poter realizzare appropriati studi geologici e stabilire appropriate localizzazioni
per questo genere di gallerie, considerando i notevoli investimenti necessari per
i sondaggi. In aree aspre e montagnose
l’accesso può essere molto difficile e i costi, pertanto, proibitivi”.
In situazioni del genere la possibilità
è spesso concentrata nella raccolta di
campioni rappresentativi raccolti in superficie per operare prove di laboratorio.
Altre metodologie includono anche sondaggi sub-orizzontali – a quote diverse –
così come perizie geofisiche dal cielo.
Anche se gli studi geologici iniziali possono presentarsi complicati, ma le tecniche di scavo stanno facendo passi in
avanti .
Al giorno d’oggi progetti come nel caso dell’Alptransit in Svizzera, con oltre
2.500 m di copertura, stanno perfino aumentando i limiti di copertura per que
sto tipo di scavo.
PF | gennaio-febbraio 2011
77