Le TBM, semplice acronimo per definire le Tunnel Boring Machine, sono strumenti indispensabili per le opere cantieristiche in tutto il mondo. Eppure, molti ignorano storia, caratteristiche ed evoluzione di questa talpa meccanica, utilizzata per scavare gallerie, ma non solo. La Tunnel Boring Machine, detta anche talpa meccanica, è un mega macchinario in grado di scavare gallerie, rivestirle internamente e portare all'esterno il materiale generato durante le operazioni. Grazie alla loro elevata produttività e versatilità, l'impiego delle talpe meccaniche oggi rappresenta il metodo di scavo di gallerie più utilizzato.
Un Breve Sguardo Storico e le Applicazioni Moderne
Sembrano lontani i tempi in cui l’ingegnere francese naturalizzato statunitense Marc Isambard Brunel sviluppò la fresa meccanica a perforazione per costruire un tunnel che passasse sotto il fiume Tamigi. Erano gli anni Trenta del diciannovesimo secolo, in un decennio chiave per la seconda rivoluzione industriale e l’ingegneria meccanica. Oggi, le TBM sono una soluzione ottimale per escavazioni che consentono e facilitano la realizzazione di opere idriche, il trattamento di acque reflue e l’ampliamento degli impianti di fognatura. I passi avanti fatti dalla tecnologia nell’ambito dell’ingegneria civile hanno favorito l’impiego dei TBM per portare a termine tunnel ferroviari e stazioni delle metropolitane. Merito di talpe meccaniche versatili, che si adattano tanto a superfici rocciose quanto a superfici argillose.
Come Funzionano le Talpe Meccaniche
Queste macchine, lunghe centinaia di metri e con un peso quantificabile in migliaia di tonnellate, frantumano il terreno grazie a dischi di taglio rimpiazzabili a seconda della tipologia di terreno. Meglio noti come cutter, questi utensili di metallo duro si trovano nella testa di taglio. Quando entra in azione una TBM è, innanzitutto, correttamente posizionata all’interno del tunnel. Si procede con l’avvio della testa di taglio, senza il quale non sarebbe possibile infrangere il muro di terra o roccia che si ha davanti. Per poter operare in condizioni di assoluta sicurezza, lo scudo in dotazione di questa talpa meccanica si posiziona dietro la testa di taglio man mano che la macchina avanza.
Cos'è una macchina perforatrice per gallerie (TBM)?
La Testa di Taglio e i Dischi: Il Cuore della TBM
La testa di taglio della TBM è un componente chiave della fresa per tunnel, direttamente responsabile dell'interazione con le formazioni geologiche durante le operazioni di scavo. La sua efficacia dipende in larga misura dall'integrazione e dalla disposizione di strumenti di taglio specializzati, in particolare dei dischi di taglio della TBM. Il design della testa di taglio della TBM varia in base alle condizioni geologiche, come la durezza della roccia, l'abrasività e la presenza di acque sotterranee. Ad esempio, una testa di taglio a profilo piatto viene spesso scelta per la sua adattabilità alle diverse condizioni del terreno e per l'efficiente applicazione della spinta [1].
La costruzione di questo elemento è robusta, con materiali ad alta resistenza e antiusura, come le leghe d’acciaio specializzate. La geometria ottimizzata della forma e della struttura della testa di taglio è attentamente progettata per garantire una penetrazione efficace, ridurre il consumo di energia e migliorare la rimozione del detrito.
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Montate direttamente sulla testa di taglio della TBM, le frese a disco hanno il compito di fratturare e scavare la roccia o il terreno. La scelta strategica e la corretta disposizione dei dischi da taglio per TBM sulla testa di taglio è essenziale per massimizzare l'efficienza di frammentazione, ridurre l'usura dei componenti e mantenere l'equilibrio di taglio. I progressi nella tecnologia delle frese a disco, tra cui una maggiore durata e resistenza all'usura, aumentano significativamente le prestazioni complessive della testa di taglio della TBM in diversi ambienti geologici. Tra le recenti innovazioni, le frese a disco RingX di AB Tunnelling si distinguono per la loro compatibilità con le moderne teste di taglio rotanti per TBM, garantendo prestazioni di taglio superiori e tempi di fermo ridotti.
L'interazione tra la testa di taglio della TBM e i dischi di taglio della TBM è fondamentale per l'efficienza delle operazioni di scavo. Una testa di taglio ben progettata, combinata con frese a disco accuratamente selezionate e posizionate strategicamente, garantisce la massima efficienza di scavo, riduce al minimo i rischi operativi, prolunga la durata dei componenti chiave e favorisce il successo economico complessivo dei progetti di scavo. Le continue innovazioni nella tecnologia delle teste di taglio e degli utensili di taglio per TBM continuano a migliorare le prestazioni di scavo in diverse condizioni geologiche, offrendo soluzioni più sicure, veloci ed economiche per le costruzioni in sotterraneo.
Vantaggi e Innovazioni Tecnologiche
Le Tunnel Boring Machines stanno rivoluzionando le tecniche di scavo, riducendo al minimo la perturbazione del terreno e rappresentando la soluzione ideale per la realizzazione di gallerie in contesti urbani densamente abitati e non solo. L’ingegneria di precisione che le caratterizza consente la realizzazione di tunnel con superfici regolari, riducendo significativamente i costi del rivestimento finale. Negli ultimi dieci anni, i progressi tecnologici nel campo delle TBM hanno introdotto una vasta gamma di soluzioni per affrontare sfide geologiche complesse.
L’evoluzione delle tecniche di scavo continuo e l’integrazione dell’intelligenza artificiale (IA) stanno ulteriormente trasformando questo mondo. Le TBM dotate di sistemi IA ottimizzano la velocità di scavo, si adattano in tempo reale alle condizioni geologiche e migliorano la sicurezza operativa, mentre i sistemi di scavo continuo riducono i tempi di inattività e massimizzano l’efficienza.
Tipologie di TBM
Esistono diversi modelli di TBM, studiate appositamente per i differenti tipi di terreno. La scelta della tipologia più adatta è cruciale per la riuscita e l'efficienza del progetto.
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| Tipologia TBM | Terreno di Impiego Principale | Caratteristiche Chiave | Esempi Specifici |
|---|---|---|---|
| Hard Rock TBM | Rocce dure e stabili (granito, basalto, gneiss) | Preferibili per fronti rocciosi stabili; necessitano di installazione di bulloni da roccia, calcestruzzo spruzzato e rete metallica. | TBM Gripper (aperta, senza scudo), TBM a Doppio Scudo |
| Soft Ground TBM | Tutti i tipi di suolo: sabbia, ghiaia, terreni non omogenei, elevata permeabilità e/o alta pressione d'acqua. | Gestione della pressione del terreno; versatilità per condizioni geologiche variabili. | TBM EPB (Earth Pressure Balance), TBM Ibrida (combinazione EPB con Monoscudo o Slurry Shield) |
Hard Rock TBM
Le Hard Rock TBM sono utilizzate in presenza di rocce dure e stabili come granito, basalto, gneiss. Si preferiscono in caso di fronti rocciosi stabili che necessitano dell’installazione di bulloni da roccia, calcestruzzo spruzzato, rete metallica ed eventualmente di centine metalliche.
- TBM Gripper: Questa tipologia è definita “aperta” in quanto priva di scudo. Si utilizza principalmente in terreni rocciosi. È stata sviluppata e brevettata a inizio anni ’70 da SELI (parte del Gruppo Webuild), in collaborazione con l’americana Robbins.
- TBM a Doppio Scudo: Più comune della gemella a Doppio Scudo, è generalmente impiegata in condizioni del fronte di scavo prevalentemente stabili.
Soft Ground TBM
Queste macchine vengono utilizzate in presenza di tutti i tipi di suolo. Vediamo le principali tipologie:
- TBM EPB (Earth Pressure Balance) o TBM a Contropressione di Terra: È la più utilizzata. Viene impiegata in caso di sabbia, ghiaia ed elevata permeabilità - ma anche in caso di alta pressione - dell’acqua. Sono tra le più innovative macchine di scavo meccanizzato oggi impiegate.
- TBM Ibrida: Questa tipologia di TBM è una combinazione delle caratteristiche di una EPB e di una Slurry Shield. Si utilizzano in presenza di terreni non omogenei, quando i cambiamenti della geologia lungo il tracciato del tunnel possono essere notevoli. Combinano le caratteristiche di una EPB e di altre tipologie di TBM, come una Monoscudo. Anche nel difficilissimo scavo del tunnel idraulico di Lake Mead è stata utilizzata questa tipologia di TBM.
Le Sfide e il Ruolo dell'Uomo: L'Esempio del Gottardo
Il ruolo dell’uomo nell’utilizzo delle TBM è di fondamentale importanza. Un esempio significativo delle sfide che si possono incontrare e delle soluzioni adottate è quello della costruzione del secondo tubo del San Gottardo.
A Göschenen e Airolo da un anno sono in corso i lavori preparatori per la costruzione dei due cunicoli di accesso. Le due gallerie di rispettivamente quattro e cinque chilometri porteranno alle due grandi zone di disturbo e serviranno quali cunicoli di aiuto per la costruzione del secondo tubo del San Gottardo. Le due zone di disturbo più lunghe attraverso l‘asse del tunnel - la zona Mesozoica a nord e la zona Guspis a sud - si distinguono per la loro lunghezza di diverse centinaia di metri. La montagna in queste zone è friabile e nella roccia si trova molta acqua. Questo, combinato con la stratificazione rocciosa, porta ad una pressione maggiore e ad una scarsa consistenza.
Voler attraversare le due zone di disturbo con la fresa meccanica sarebbe tecnicamente molto difficile se non addirittura impossibile e causerebbe un enorme dispendio di tempo. In concreto ciò significa: in media si avanzerebbe al massimo di un metro al giorno! Dunque, si è deciso di costruire due cunicoli di accesso da nord e da sud per scavare e mettere in sicurezza anticipatamente il secondo tubo in questi due settori. Per la costruzione dei due cunicoli di accesso vengono utilizzate due frese con un diametro della testa di 7,4 metri.
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