Foratrice per tunnel - Tunnel boring machine

Una delle alesatrici utilizzate per il tunnel sotto la Manica tra Francia e Regno Unito
Una fresatrice utilizzata per scavare la galleria di base del San Gottardo , in Svizzera, la galleria ferroviaria più lunga del mondo
Una fresatrice per tunnel utilizzata nel deposito di scorie nucleari di Yucca Mountain

Una fresatrice per gallerie ( TBM ), nota anche come "talpa", è una macchina utilizzata per scavare gallerie con una sezione trasversale circolare attraverso una varietà di strati di terreno e roccia . Possono essere utilizzati anche per il microtunneling . Possono essere progettati per perforare qualsiasi cosa, dalla roccia dura alla sabbia . I diametri del tunnel possono variare da un metro (3,3 piedi) (fatto con micro-TBM) a 17,6 metri (58 piedi) fino ad oggi. Le gallerie di diametro inferiore a un metro circa vengono generalmente realizzate utilizzando metodi di costruzione senza scavo o perforazioni direzionali orizzontali anziché TBM. Le TBM possono anche essere progettate per scavare gallerie non circolari, comprese gallerie a forma di U oa ferro di cavallo e quadrate o rettangolari.

Le perforatrici per gallerie sono utilizzate come alternativa ai metodi di perforazione e sabbiatura (D&B) nella roccia e al convenzionale "minerario manuale" nel suolo. Le TBM hanno il vantaggio di limitare il disturbo al terreno circostante e di produrre una parete liscia del tunnel. Ciò riduce significativamente il costo del rivestimento del tunnel e li rende adatti all'uso in aree fortemente urbanizzate. Lo svantaggio principale è il costo iniziale. Le TBM sono costose da costruire e possono essere difficili da trasportare. Più lungo è il tunnel, minore è il costo relativo delle perforatrici per gallerie rispetto ai metodi di perforazione e esplosione. Questo perché il tunneling con le TBM è molto più efficiente e si traduce in tempi di completamento ridotti, supponendo che funzionino con successo. La perforazione e la sabbiatura rimangono tuttavia il metodo preferito quando si lavora attraverso strati rocciosi fortemente fratturati e tranciati.

Storia

Scudo da taglio utilizzato per il Nuovo Tunnel dell'Elba
Vista dall'alto di un modello della TBM utilizzata nella Galleria di base del San Gottardo
Guardando verso lo scudo di taglio ai martinetti idraulici

Il primo scudo di scavo di successo fu sviluppato da Sir Marc Isambard Brunel per scavare il tunnel del Tamigi nel 1825. Tuttavia, questa fu solo l'invenzione del concetto di scudo e non comportò la costruzione di una macchina completa per la perforazione del tunnel, lo scavo doveva ancora essere realizzato con i metodi di scavo allora standard.

La prima alesatrice che si dice sia stata costruita è stata la Mountain Slicer di Henri-Joseph Maus . Commissionato dal Re di Sardegna nel 1845 per scavare il Tunnel Ferroviario del Fréjus tra Francia e Italia attraverso le Alpi , Maus lo fece costruire nel 1846 in una fabbrica di armi vicino a Torino . Consisteva in più di 100 trapani a percussione montati nella parte anteriore di una macchina delle dimensioni di una locomotiva, azionata meccanicamente dall'ingresso del tunnel. Le Rivoluzioni del 1848 influirono sul finanziamento, e il tunnel fu completato solo 10 anni dopo, utilizzando metodi meno innovativi e meno costosi come le trivelle pneumatiche .

Negli Stati Uniti, la prima alesatrice costruita fu utilizzata nel 1853 durante la costruzione del Tunnel Hoosac nel nord-ovest del Massachusetts. Realizzata in ghisa, era conosciuta come la macchina per tagliare la pietra brevettata di Wilson , dal nome dell'inventore Charles Wilson. Ha perforato 10 piedi nella roccia prima di crollare. (Il tunnel fu infine completato più di 20 anni dopo, e come con il Tunnel ferroviario del Fréjus, utilizzando metodi meno ambiziosi.) La macchina di Wilson anticipava le moderne TBM nel senso che utilizzava dischi da taglio, come quelli di un erpice a dischi , che erano attaccato alla testa rotante della macchina. In contrasto con la tradizionale scalpellatura o perforazione e sabbiatura, questo metodo innovativo di rimozione della roccia si basava su semplici ruote metalliche per applicare un'alta pressione transitoria che fratturava la roccia.

Sempre nel 1853, l'americano Ebenezer Talbot brevettò anche una TBM che impiegava i dischi da taglio di Wilson, sebbene fossero montati su bracci rotanti, a loro volta montati su un piatto rotante. Nel 1870, John D. Brunton d'Inghilterra costruì una macchina che impiegava dischi da taglio montati eccentricamente su piastre rotanti, che a loro volta erano montate eccentricamente su una piastra rotante, in modo che i dischi da taglio avrebbero viaggiato su quasi tutta la parete rocciosa che doveva essere rimosso.

La prima TBM che ha scavato una distanza sostanziale è stata inventata nel 1863 e migliorata nel 1875 dall'ufficiale dell'esercito britannico maggiore Frederick Edward Blackett Beaumont (1833-1895); La macchina di Beaumont fu ulteriormente migliorata nel 1880 dall'ufficiale dell'esercito britannico maggiore Thomas English (1843-1935). Nel 1875 l'Assemblea nazionale francese approvò la costruzione di un tunnel sotto la Manica e il parlamento britannico permise che si facesse un giro di prova; Per il progetto è stata scelta la TBM della Major English. La testa di taglio della TBM inglese consisteva in una punta conica dietro la quale c'erano una coppia di bracci contrapposti sui quali erano montati dei dischi da taglio. Dal giugno 1882 al marzo 1883, la macchina ha scavato un tunnel, attraverso il gesso, per un totale di 6.036 piedi (1,84 km). Un ingegnere francese, Alexandre Lavalley , che era anche un appaltatore del Canale di Suez , usò una macchina simile per perforare 1.669 m (5.476 piedi) da Sangatte sul lato francese. Tuttavia, nonostante questo successo, il progetto del tunnel attraverso la Manica fu abbandonato nel 1883 dopo che l'esercito britannico aveva sollevato timori che il tunnel potesse essere utilizzato come percorso di invasione. Tuttavia, nel 1883, questa TBM fu utilizzata per scavare un tunnel di ventilazione ferroviaria - 7 piedi (2,1 m) di diametro e 6.750 piedi (2 km) di lunghezza - tra Birkenhead e Liverpool , in Inghilterra, attraverso l'arenaria sotto il fiume Mersey .

Durante la fine del XIX e l'inizio del XX secolo, gli inventori hanno continuato a progettare, costruire e testare le TBM in risposta alla necessità di tunnel per ferrovie, metropolitane, fognature, approvvigionamenti idrici, ecc. Sono state brevettate le TBM che impiegano matrici rotanti di trapani o martelli. Sono state proposte TBM che assomigliavano a seghe a tazza giganti . Altre TBM consistevano in un tamburo rotante con denti metallici sulla sua superficie esterna, o una piastra circolare rotante ricoperta di denti, o cinghie girevoli ricoperte di denti metallici. Tuttavia, tutte queste TBM si sono rivelate costose, ingombranti e incapaci di scavare nella roccia dura; l'interesse per le TBM è quindi diminuito. Tuttavia, lo sviluppo della TBM è continuato nelle miniere di potassio e carbone, dove la roccia era più morbida.

Una TBM con un diametro del foro di 14,4 m (47 ft 3 in) è stata prodotta da The Robbins Company per il progetto canadese del tunnel del Niagara . La macchina è stata utilizzata per scavare un tunnel idroelettrico sotto le cascate del Niagara . La macchina è stata nominata "Big Becky" in riferimento alle dighe idroelettriche di Sir Adam Beck alle quali sta scavando per fornire un ulteriore tunnel idroelettrico.

Una TBM per l' equilibrio della pressione del terreno nota come Bertha con un diametro del foro di 17,45 metri (57 ft 3 in) è stata prodotta da Hitachi Zosen Corporation nel 2013. È stata consegnata a Seattle , Washington , per il progetto del tunnel della Highway 99 . La macchina ha iniziato a funzionare a luglio 2013, ma si è fermata a dicembre 2013 e ha richiesto riparazioni sostanziali che hanno bloccato la macchina fino a gennaio 2016. Bertha ha completato lo scavo del tunnel il 4 aprile 2017.

La capitale della Malesia, Kuala Lumpur, aumenta costantemente la sua rete metropolitana di Mass Rapid Transit. Due perforatrici fornite da CREG hanno scavato due gallerie con un diametro di perforazione di 6,67 m in fango sabbioso saturato d'acqua, fango scistoso, fango altamente esposto alle intemperie e alluvione con una velocità di avanzamento massima di oltre 345 m/mese.

La più grande TBM da roccia dura del mondo , conosciuta come Martina , (diametro di scavo di 15,62 m (51 ft 3 in), lunghezza totale 130 m (430 ft); area di scavo di 192 m 2 (2.070 piedi quadrati), valore di spinta 39.485 t, peso totale 4.500 tonnellate, capacità totale installata 18 MW; consumo energetico annuo circa 62 milioni di kWh) è stato costruito da Herrenknecht AG . È di proprietà e gestito dalla società di costruzioni italiana Toto SpA Costruzioni Generali (Gruppo Toto) per la galleria Sparvo dell'autostrada italiana Pass A1 ("Variante di Valico A1"), vicino a Firenze. La stessa società ha costruito la TBM per fanghi con il diametro più grande del mondo , diametro di scavo di 17,6 metri (57 piedi 9 pollici), di proprietà e gestita dalla società di costruzioni francese Dragages Hong Kong (filiale di Bouygues) per il collegamento Tuen Mun Chek Lap Kok a Hong Kong .

Descrizione

Le moderne TBM sono tipicamente costituite da una ruota di taglio rotante, chiamata testa di taglio, seguita da un cuscinetto principale, un sistema di spinta e meccanismi di supporto posteriore. Il tipo di macchina utilizzata dipende dalla particolare geologia del progetto, dalla quantità di acqua di falda presente e da altri fattori.

TBM per roccia dura

Le strutture di supporto nella parte posteriore di una TBM. Questa macchina è stata utilizzata per scavare il tunnel principale del deposito di scorie nucleari di Yucca Mountain in Nevada.
Martinetti idraulici che tengono in posizione una TBM

Nell'hard rock possono essere utilizzate TBM schermate o di tipo aperto. Le TBM per roccia dura scavano roccia con frese a disco montate nella testa di taglio. Le frese a disco creano fratture da sollecitazione di compressione nella roccia, provocandone la scheggiatura dalla faccia del tunnel. La roccia scavata (letame) viene trasferita attraverso aperture nella testa di taglio a un nastro trasportatore, dove scorre attraverso la macchina a un sistema di trasportatori o vagoni per la rimozione dal tunnel.

Le TBM di tipo aperto non hanno schermatura, lasciando l'area dietro la testa di taglio aperta per il supporto della roccia. Per avanzare, la macchina utilizza un sistema di pinze che spinge contro le pareti del tunnel. Non tutte le macchine possono essere sterzate continuamente mentre i pattini di presa spingono sulle pareti, come con una macchina Wirth, che sterza solo senza presa. La macchina quindi spingerà in avanti le pinze guadagnando spinta. A fine corsa si abbassano le gambe posteriori della macchina, si ritraggono le pinze e i cilindri di propulsione. L'arretramento dei cilindri di propulsione riposiziona il gruppo pinza per il successivo ciclo di foratura. Le pinze sono estese, le gambe posteriori sollevate e riprende la noia. La TBM di tipo aperto, o Main Beam, non installa conci di cemento dietro con altre macchine. Invece, la roccia viene sostenuta utilizzando metodi di supporto al suolo come travi ad anello, bulloni da roccia, calcestruzzo proiettato , cinghie d'acciaio, acciaio ad anello e rete metallica.

Nella roccia fratturata possono essere utilizzate TBM schermate per roccia dura, che erigono segmenti di calcestruzzo per supportare le pareti instabili del tunnel dietro la macchina. Le TBM Double Shield hanno due modalità; in terreno stabile si aggrappano alle pareti del tunnel per avanzare. In un terreno instabile e fratturato, la spinta viene spostata sui cilindri di spinta che spingono contro i segmenti del tunnel dietro la macchina. Ciò impedisce alle forze di spinta di colpire le fragili pareti del tunnel. Le TBM Single Shield funzionano allo stesso modo, ma vengono utilizzate solo in terreni fratturati, in quanto possono solo spingere contro i conci di calcestruzzo.

TBM per terreni morbidi

Alesatrice per gallerie nel sito del tunnel Weinberg Altstetten-Zürich-Oerlikon vicino alla stazione ferroviaria di Zurigo Oerlikon
Installazione urbana per una fognatura da 84 pollici a Chicago, IL, USA

In terreni morbidi, ci sono tre tipi principali di TBM: Earth Pressure Balance Machines (EPB), Slurry Shield (SS) e tipo open-face. Entrambi i tipi di macchine chiuse funzionano come TBM a scudo singolo, utilizzando cilindri di spinta per avanzare spingendo contro i segmenti di cemento. Le macchine Earth Pressure Balance sono utilizzate in terreni morbidi con meno di 7 bar di pressione. La testa di taglio non utilizza solo frese a disco, ma invece una combinazione di punte da taglio in carburo di tungsteno , frese a disco in carburo, plettri a trascinamento e/o frese a disco per roccia dura. L'EPB prende il nome perché utilizza il materiale scavato per bilanciare la pressione sul fronte del tunnel. La pressione viene mantenuta nella testa di taglio controllando la velocità di estrazione del materiale di scarto tramite la coclea e la velocità di avanzamento. Additivi come bentonite , polimeri e schiuma possono essere iniettati davanti al viso per aumentare la stabilità del terreno. Gli additivi possono anche essere iniettati nella testa di taglio/vite di estrazione per garantire che il materiale di scarto rimanga sufficientemente coeso da formare un tappo nella vite di Archimede per mantenere la pressione nella testa di taglio e limitare il flusso d'acqua.

In terreni soffici con pressione dell'acqua molto elevata o dove le condizioni del terreno sono granulari (sabbie e ghiaie) tanto da non poter formare un tappo nella vite di Archimede, sono necessarie le TBM Slurry Shield. La testa di taglio è riempita con liquame pressurizzato che applica una pressione idrostatica al fronte di scavo. Il liquame funge anche da mezzo di trasporto mescolandosi con il materiale di scavo prima di essere pompato fuori dalla testa di taglio in un impianto di separazione del liquame, solitamente all'esterno del tunnel. Gli impianti di separazione dei liquami sono sistemi di filtrazione a più stadi, che rimuovono le particelle di detriti dal liquame in modo che possano essere riutilizzati nel processo di costruzione. Il limite al quale il liquame può essere 'pulito' dipende dalla dimensione delle particelle del materiale scavato. Per questo motivo, le TBM per liquami non sono adatte a limi e argille in quanto le dimensioni delle particelle del materiale di scarto sono inferiori a quelle dell'argilla bentonitica da cui è composto l'impasto. In questo caso, il liquame viene separato in acqua, che può essere riciclata e dall'acqua viene pressato un panello di argilla, che può essere inquinato.

Le TBM a cielo aperto in terreno soffice si basano sul fatto che la superficie del terreno da scavare rimarrà in piedi senza supporto per un breve periodo di tempo. Questo li rende adatti per l'uso in tipi di roccia con una forza fino a 10 MPa circa e con bassi afflussi d'acqua. In questo modo è possibile scavare superfici di dimensioni superiori a 10 metri. La faccia viene scavata utilizzando un braccio di sostegno o una testa di taglio fino a 150 mm dal bordo dello scudo. Lo scudo è sollevato in avanti e le frese sulla parte anteriore dello scudo tagliano il terreno rimanente alla stessa forma circolare. Il supporto al suolo è fornito mediante l'uso di calcestruzzo prefabbricato, o occasionalmente SGI (Sferoidal Graphite Iron), segmenti che sono imbullonati o supportati fino a quando non è stato eretto un anello di supporto completo. Un ultimo segmento, detto chiave, è a forma di cuneo, e dilata l'anello fino a stringerlo contro il taglio circolare del terreno lasciato dalle frese sullo scudo della TBM. Esistono molte varianti di questo tipo di TBM.

Mentre l'uso di TBM allevia la necessità di un gran numero di lavoratori ad alte pressioni, a volte viene formato un sistema a cassone in corrispondenza della testa di taglio per le TBM a scudo di liquami. I lavoratori che entrano in questo spazio per l'ispezione, la manutenzione e la riparazione devono essere approvati dal medico come "adatti all'immersione" e addestrati al funzionamento delle serrature.

La Herrenknecht AG ha progettato una TBM per terreni morbidi di 19,25 m (63 ft 2 in) per il tunnel Orlovski , un progetto a San Pietroburgo , ma non è mai stata costruita.

Metodo di schermatura del microtunnel

Il metodo dello scudo del micro tunnel è una tecnica di scavo utilizzata per costruire piccoli tunnel e ridurre le dimensioni dello scudo generale del tunnel . La perforatrice per micro tunnel è abbastanza simile allo scudo di tunneling generale ma su scala più piccola. Queste perforatrici generalmente variano da 1 a 1,5 m (da 3,3 a 4,9 piedi), troppo piccole per consentire agli operatori di camminare.

Sistemi di backup

Dietro tutti i tipi di perforatrici, all'interno della parte finita del tunnel, ci sono piani di supporto posteriori noti come sistema di backup. I meccanismi di supporto situati sul back-up possono includere: nastri trasportatori o altri sistemi per la rimozione del letame, tubazioni dei liquami se applicabile, sale di controllo, impianti elettrici, rimozione della polvere, ventilazione e meccanismi per il trasporto di segmenti prefabbricati.

Tunneling urbano e tunnel in superficie

Il tunneling urbano ha il requisito speciale che la superficie del terreno sia indisturbata. Ciò significa che il cedimento del terreno deve essere evitato. Il metodo normale per farlo in terreni soffici consiste nel mantenere le pressioni del suolo durante e dopo la costruzione del tunnel. C'è qualche difficoltà nel fare ciò, particolarmente in strati diversi (ad esempio, perforazione attraverso una regione in cui la parte superiore della faccia del tunnel è sabbia bagnata e la parte inferiore è roccia dura).

In tali situazioni vengono utilizzate TBM con face control positivo , come EPB e SS. Entrambi i tipi (EPB e SS) sono in grado di ridurre il rischio di cedimenti e vuoti di superficie se gestiti correttamente e se le condizioni del terreno sono ben documentate. Quando si scavano gallerie in ambienti urbani, nelle prime fasi di progettazione è necessario affrontare altre gallerie, linee di servizio esistenti e fondazioni profonde. Il progetto deve prevedere misure per mitigare eventuali effetti negativi su altre infrastrutture.

Guarda anche

Appunti

Riferimenti

  • Bagust, Harold (2006). Il genio più grande?: una biografia di Marc Isambard Brunel . Edizioni Ian Allan. ISBN 0-7110-3175-4.
  • Bancroft, George J. (1908) "Una storia della macchina per la perforazione di tunnel", Mining Science , p. 58, 65-68 , 85-88, 106-108, 125-127, 145-146, 165-167
  • Bevitore, Henry Sturgis. Treatise on Explosive Compounds, Machine Rock Drills and Blasting (New York, New York: J. Wiley & Sons, 1883), pp. 191-194.
  • Hemphill, Gary B. Practical Tunnel Construction (Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2013), Capitolo 7: Macchine perforatrici: Storia della macchina perforatrice.
  • Maidl, Bernhard; Schmid, Leonardo; Ritz, Willy; Herrenknecht, Martin (2008). Alesatrici per tunnel Hardrock . Ernst & Sohn. ISBN 978-3-433-01676-3.
  • Stack, Barbara, "Enciclopedia delle attrezzature per tunneling, mining e perforazione", 1995.
  • Ovest, Graham. Innovation and the Rise of the Tunneling Industry (Cambridge, England: Cambridge University Press, 1988), Capitolo 11: Macchine per tunneling di roccia dura.

Ulteriori letture

  • Barton, Nick (2000). Tunneling TBM in roccia articolata e fagliata . Rotterdam: Balkema.
  • Bilger, Burkhard (15 settembre 2008). "The Long Dig: attraversare le Alpi svizzere nel modo più duro". Il newyorkese .
  • Foley, Amanda (maggio 2009). "La vita all'avanguardia: Dick Robbins". Tunnel e gallerie internazionali .

link esterno