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La TBM a densità variabile è una nuova generazione di macchina multimodale per terreni soffici dotata di una tecnologia all'avanguardia. Senza bisogno di importanti modifiche meccaniche, la TBM combina le due modalità EPB e slurry, mantenendo il controllo permanente della pressione del fronte
Le sezioni di gallerie caratterizzate da terreni variabili sono diventate sfide comuni per molti progetti di scavo. Le condizioni lungo il corso della galleria spesso cambiano, passando da ammassi rocciosi stabili a terreni incoerenti con presenza di acqua. Le tecnologie ordinarie per le TBM (Tunnel Boring Machine) scudate sono state ottimizzate per gestire una gamma più ampia di condizioni specifiche del terreno. I limiti tecnici e commerciali spesso si evidenziano quando il terreno presenta una variabilità eccessiva.
Le TBM multimodali consentono di adattare la tecnologia di scavo in galleria alle effettive condizioni del terreno e quindi di utilizzare la macchina in diverse modalità operative. Le particolari condizioni del progetto per la galleria stradale Socatop di Parigi richiedevano ad esempio un design della TBM che consentisse di commutare la macchina dalla modalità EPB (earth pressure balance) alla modalità Slurry (fango bentonitico) all'interno della galleria. Un altro passaggio preliminare nello sviluppo delle TBM a densità variabile è stato il design della macchina per il progetto del Miami Port Tunnel. La macchina poteva passare dalla modalità EPB alla modalità Slurry con trasporto idraulico del fango mantenendo il pieno controllo della pressione del fronte.
Introduzione
L'obiettivo dei progetti di costruzione di gallerie sotterranee, in particolare per Committenti e Finanziatori, oggi è focalizzato sul completamento delle strutture di tunnelling in modo sicuro, rispettando le tempistiche e il budget, dato che costi e ritardi incidono negativamente sulla fiducia dei Committenti e delle autorità, così come sull'accettazione e la fiducia della società nel suo complesso verso i progetti su larga scala.
Ecco perché le soluzioni flessibili e lungimiranti come la tecnologia di tunnelling meccanizzato stanno diventando sempre più importanti. Poiché attualmente i progetti vengono sempre più spesso realizzati in regioni e in condizioni geologiche inconcepibili fino a un decennio fa, il design della macchina deve essere adattato per scavare in sicurezza l'infrastruttura sotterranea dove serve e indipendentemente dalle condizioni prevalenti del sottosuolo. Pertanto le strutture delle gallerie vengono sempre più frequentemente realizzate in condizioni geologiche eterogenee con sezioni che possono includere rocce solide, terreni incoerenti e acquiferi e/o condizioni miste del fronte di scavo in cui sono presenti rocce e terra. Tali situazioni richiedono un design della macchina appositamente adattato per scavare e rivestire la galleria in modo sicuro e affidabile, senza lunghi tempi di conversione per adeguare il macchinario alle specifiche conformazioni del terreno.
La struttura della nuova generazione di TBM multimodali per terreni soffici permette di scambiare agevolmente le diverse modalità (EPB e Slurry) all'interno della galleria mantenendo il controllo completo e permanente della pressione del fronte senza intervenire sulla camera di scavo.
Questa nuova generazione di macchine è denominata "TBM a densità variabile" e offre massima sicurezza e flessibilità nella scelta del sostegno per il fronte della galleria e della rimozione dello smarino.
Passaggi nello sviluppodella nuova generazione di TBM multimodali per terreni incoerenti
La prima TBM multimodale è stata progettata negli anni ‘80 per un progetto di tunnelling realizzato in condizioni di suolo variabili, comprendenti terreni stabili e roccia tenera, terreni misti e terreni acquiferi. Da allora la tecnologia è stata continuamente perfezionata e aggiornata fino a raggiungere l'elevato grado di maturità dell'attuale design della TBM a densità variabile 1.
Galleria stradale Socatop a Parigi
Nel 2000 una TBM multimodale è stata utilizzata con successo per il progetto della galleria stradale Socatop a Parigi. L'opera prevedeva la costruzione della galleria occidentale A86 che costituisce il collegamento finale di 80 km della tangenziale A86 intorno all'area metropolitana (Grand Paris). La galleria è stata realizzata per snellire la congestione del traffico e migliorare i collegamenti tra i sobborghi di Parigi. La TBM multimodale impiegata aveva un diametro di 11,56 metri e a quel tempo fu la prima TBM innovativa a supportare le modalità di scavo EPB e Slurry. (figura 1)
La galleria è stata realizzata da tre delle più grandi imprese di costruzioni stradali francesi: Vinci, Eiffage Construction e Colas. Ha una lunghezza di 10 km e circa il 60% del sottosuolo è costituito da terreni adatti all'uso di una TBM EPB scudata. Il restante 40% presentava le condizioni ottimali per l'impiego di una TBM in modalità Slurry. La scelta della TBM e della modalità di tunnelling ha preso in considerazione soprattutto il fatto che le varie formazioni geologiche si presentavano in lunghe sezioni collegate. Gli scudi per le modalità Slurry ed EPB vengono azionati con una camera di scavo riempita e una pressione di sostegno controllata per il fronte della galleria. Le principali differenze tra le due modalità operative riguardano le proprietà di riempimento della camera, quali viscosità, resistenza al taglio, densità, e controllo della pressione del fronte. Nel caso degli scudi con fango bentonitico, la pressione del fronte viene controllata tramite un cuscino d'aria pressurizzata a distanza che nella maggior parte dei casi viene fornito separando la camera di scavo in due compartimenti mediante una parete sommersa. Nel caso di uno scudo EPB, la pressione del fronte viene controllata mediante la velocità di avanzamento e il volume di smarino estratto tramite la velocità del trasportatore a coclea.
Il design della testa fresante e della camera di scavo non richiede alcun compromesso nell'impiego delle modalità operative. Le principali differenze meccaniche riguardano il trasporto e i sistemi di movimentazione del fango nella camera di scavo e in galleria. Gli scudi per il fango utilizzano un circuito pressurizzato con un impianto di trattamento dei fanghi in superficie; gli scudi EPB utilizzano un trasportatore a coclea per l'estrazione controllata del fango dalla camera di scavo e un sistema di trasporto aperto in galleria con automezzi o nastri trasportatori. L'ampio spazio disponibile con la TBM di grande diametro per terreni incoerenti impiegata nel progetto Socatop ha consentito il posizionamento parallelo di entrambi i sistemi di rimozione del fango nella parte inferiore della camera di scavo con alcuni piccoli compromessi funzionali. Quando si è reso necessario il funzionamento in modalità Slurry per la presenza di condizioni geologiche prevalenti con possibili blocchi, massi o pietre di dimensioni maggiori, è stato utilizzato un frantumatore a mascelle, spostato dalla posizione di parcheggio e attivato davanti alla griglia di aspirazione. Ciò ha richiesto un intervento manuale e uno sforzo meccanico aggiuntivo per cambiare la modalità operativa. Se la TBM ha un diametro inferiore a 8 metri l'operazione diventa ancora più difficoltosa.
Sebbene il progetto Socatop sia stato per molto tempo una soluzione unica nel suo genere, ha dimostrato in modo definitivo che la complessa combinazione di diverse tecnologie può avere senso se le condizioni del progetto sono ben conosciute.
Lo scavo della galleria stradale del porto di Miami, in Florida
Nel maggio 2013 Bouygues Civil Works Florida ha completato con successo lo scavo della galleria stradale del porto di Miami, in Florida. Il progetto comprende gallerie a doppia corsia lunghe 1,2 km che attraversano direttamente il canale navigabile e il terminal delle navi da crociera e le cui estremità curvano per collegare le sezioni stradali esistenti sulle isole Watson e Dodge. Le gallerie ospitano due corsie di traffico, cordoli, passaggi pedonali, ventilatori e ulteriori installazioni di sicurezza.
Lo scavo per la galleria del porto di Miami nella Baia di Biscayne è stato realizzato in un sottosuolo poroso e variabile, costituito principalmente da sabbia e calcare e acque sotterranee ricche di cloruro.