tunnel boring machines

Davide Giuseppe Monaco (A63-000275)Andrea Tino (A63-000356)

Università degli Studi di Catania - A.A. 2010/11

Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica Dipartimento di Ing. Industriale e Meccanica

Prof. Aldo Beretta

Corso di Meccatronica

Le Tunnel Boring Machine (TBM)Struttura, impieghi, innovazione e tecnologia delle macchine che, oggi, permettono all’uomo di superare i limiti geogra�ci imposti dalla natura

Meccatronica 2010-11

2010/11 - Davide G. Monaco & Andrea Tino - Ing. Informatica Meccatronica - DIIM @ Università di Catania

Le Tunnel Boring Machine (macchine per lo scavo di tunnel) rappresentano oggi la principale tecnologia, nell’industria pesante, per la riuscita di scavi nel sottosuolo e nelle pareti montuose.

#1 Cosa sono le TBM.

Questi potenti macchinari sono il frutto della moderna ingegneria operante su vari settori: meccanica, elettronica, geotecnica, informatica e dei materiali. Data la complessità dell’argomento trattato, la loro descrizione verrà e�ettuata secondo il seguente schema.

#3 Panoramica storica sulle TBM e sulla loro evoluzione.

#4 Il mercato dell’industria pesante e le TBM.

#2 Principali impieghi delle TBM.

#6 Processo di costruzione e sviluppo delle TBM. (!!)

#5 Analisi dettagliata delle parti. (!!)

#7 Le principali famiglie di TBM.

#8 TBM, un caso di studio. (!!)(!!) = Descrizione tecnica.

#5.1 Testa rotante.

#5.2 Corpo centrale.

#5.3 Sistemi di back-up.

#5.4 Dinamiche e sistemi accessori

IndicePercorso di analisi e trattazione


Dato che l’argomento è vasto ed abbastanza articolato, è bene esplicitare alcuni punti su come verrà condotta la trattazione e l’analisi di questi complessi macchinari all’interno di questa presentazione.

#1 Le TBM hanno un ruolo rilevante in vari settori dell’ingegneria moderna, in particolare nell’ingegneria meccanica, nell’ingegneria elettrica ed elettronica, nell’ingegneria dei sistemi, nell’ingegneria dei materiali, in geotecnica ed in ingegneria informatica. La trattazione esaminerà per lo più gli aspetti salienti dal punto di vista meccanico ed informatico.

#2 L’analisi verterà sia sul processo di sviluppo delle TBM che sulle loro componenti. In questo modo sarà possibile comprendere i vari aspetti legati al design e all’utilizzo di queste macchine.

#3 La descrizione dei processi di sviluppo toccherà solo alcuni livelli di complessità, tralasciando (accennando) i dettagli tecnici di gran parte degli step avanzati.

#4 La descrizione delle parti e delle principali componenti verrà effettuata in maniera sufficentemente dettagliata, senza tralasciare aspetti secondari, ma senza scendere ad un livello eccessivamente tecnico.

#5 Verranno presi in esame alcuni casi concreti di interesse, in maniera da rendere la trattazione aggiornata alle tecnologie odierne. In particolare verranno presentate alcune società operanti nel settore dell’industria pesante e direttamente collegate alle TBM, inoltre verrà presentato un caso di studio per esaminare i problemi e le soluzioni adottate sul campo.

Qualche parola sulla trattazionePremesse e punti di partenza


Le Tunnel Boring Machine sono macchinari utilizzati per scavare tunnel attraverso pareti rocciose oppure nel sottosuolo. Esse operano in maniera da creare nuove linee di comunicazione nel contesto delle principali infrastrutture civili e militari.

Le TBM non sono sempre state impiegate. Prima che venissero progettate, le necessità di scavare tunnel rimanevano ristrette a soluzioni molto meno flessibili ed ingegneristicamente più complicate.

Alternativa agli scavi trench-oriented: Le TBM sono soprattutto impiegate come soluzione alternativa allo scavo di tunnel nel sottosuolo cittadino. Il cosiddetto trenchless excavation permette infatti di evitare la perforazione del manto stradale in superficie senza più dover lavorare dalla superficie nel sottosuolo ma dal sottosuolo direttamente.

Scavi di attraversamento: Il motivo per cui furono ideate in principio le TBM, malgrado oggi, questa, non sia la primaria applicazione di questi macchinari, è la possibilità di poter perforare pareti rocciose e generare linee di comunicazione tra montagne o intere catene montuose in territori geologicamente poco conformi all’attraversamento di linee di trasporto. In questo modo è possibile aggirare gli ostacoli nelle reti infrastrutturali mediante il percorso davvero più breve: la retta passante per i due punti.

Cosa sono le TBMIntroduzione generale alle TBM, scopi e obiettivi


Malgrado le TBM non fossero state progettate inizialmente per essere usate come macchine per la creazione di tunnel sotterranei, sembra che questa applicazione abbia riscosso molto successo, tanto da diventare uno dei principali obiettivi e motivi legati all’impiego di queste macchine nelle infrastrutture per i trasporti.

#1 Costi: Mediante l’uso di tecniche trenchless è possibile ridurre i costi di gestione del cantiere in superficie e tutte le spese derivate dalla perforazione e ricostruzione del manto stradale, senza contare i benefici riguardo al non creare rallentamenti al flusso automobilistico.

#2 Complessità: Malgrado non lo sembri, le operazioni di scavo superficiale sono più complesse delle operazioni di tunnelling. Il macchinario principale è uno solo, la TBM, e non ci sono altri macchinari da utilizzare per il completamento dell’opera (lo stesso non si può dire per le tecniche di superficie dove è necessario utilizzare scavatrici, rulli, asfaltatrici, camion per il trasporto dei detriti, etc.).

#3 Estensione e sprechi: Le tecniche di superficie tendono inoltre ad utilizzare più spazio rispetto a quello effettivamente occupato dal tunnel una volta costruito. Questo non si verifica invece con le techiche di tunnelling; il cantiere è il tunnel stesso.

#4 Sicurezza nei cantieri: Anche se non sembra, un cantiere sotterraneo scavato da una TBM è più sicuro di un canitiere in superficie. Non ci sono avvallamenti, rotture del manto da dover evidenziare e proteggere, il cantiere stesso è automaticamente protetto da personale non autorizzato e i relativi accessi si limitano al massimo a due punti di ingresso/uscita.

Scavo non super�cialeTrenchless excavation come alternativa alla tradizione


Fin dai tempi delle grandi civiltà (greci e romani) ed ancor prima (ai tempi dei grandi imperi in Eurasia ed Egitto), lì dove l’esigenza di connettere diverse aree abitate e dunque la necessità di una rete di trasporto, determinava la crescita e la stabilità dei territori di un regnante (imperatori, re, faraoni), si faceva uso di metodologie di scavo per poter superare le barriere geogra�che imposte dalla natura all’uomo. Nascevano le prime infrastrutture.

#1 Zero barriere: Le TBM permettono una tecnica di scavo unica nel suo genere ma non unica nel processo di realizzazione. Tunnel tra le montagne venivano creati già molti decenni prima dell’introduzione di queste macchine, mediante tecniche di scavo con attrezzi e macchine più semplici e meno costosi che, però, nel complesso, davano luogo a tempi e costi complessivi di gran lunga maggiori rispetto ai risultati ottenibili attualmente. Le TBM permettono di infrangere barriere geografiche come montagne o catene montuose, e lo fanno nel modo più efficiente e meno costoso possibile.

#2 Tunnel per reti di informazione: Le TBM e il tunnelling da esse reso possibile, permettono la creazione e/o l’estensione di intere reti infrastrutturali per il trasporto di cose e persone. L’abbattimento degli ostacoli geografici si concretizza in un risparmio in tempi e costi davvero notevole. Le reti si semplificano e punti difficili da raggiungere possono essere collegati ai servizi in maniera semplice ed efficiente.

#3 Ottimizzazione: La possibilità di non dover aggirare un ostacolo, ma attraversarlo, determina un obiettivo cruciale, in certi casi, la cui non riuscita potrebbe anche determinare il fallimento di un’intera rete di servizi. Le applicazioni militari sono un esempio, le TBM la soluzione.

Scavo non super�ciale (2)Tunnelling per l’abbattimento delle frontiere geogra�che


Anche se abbiamo già accennato al fatto che gli scavi senza trincea limitino notevolmente le problematiche di sicurezza dei cantieri, dedichiamo più tempo a queste caratteristiche ed analizziamole meglio.

#1 Cantiere circoscritto: Mediante l’uso del tunnelling (a volte anche detto tunneling), è possibile circoscrivere fisicamente il cantiere ad un volume ben preciso, cosa che non avverrebbe con le tradizionali tecniche di superficie.

#2 Cantiere protetto: Il cantiere può essere più facilmente limitato all’accesso di personale non autorizato in maniera davvero semplice. Se contiamo che infatti, per la maggior parte del tempo, il tunnel avrà un solo ingresso (più eventuali accessi di servizio, comunque facilmente individuabili e gestibili), garantire che solo gli operai e il personale autorizzato abbia accesso ai locali consentiti è davvero semplice. Personale non autorizzato, neanche accidentalmente, potrà accedere agli spazi riservati. Con gli approcci a trincea invece è necessario limitare il cantiere con il rischio che le persone possano letteralmente caderci dentro.

#3 Sicurezza strutturale: Può sembrare strano dire che un cantiere sotterraneo sia più sicuro di uno in superficie ma è esattamente questa la situazione. In caso di terremoti, le trincee vengono stressate sulle pareti laterali che cedono inevitabilmente annullando l’avvallamento in rapidissimo tempo (sotterrando tutto quello che è presente al momento). Un sisma che si verificasse presso un tunnel invece avrebbe ripercussioni minori dato che, mentre viene scavato, il tunnel viene contemporaneamente rivestito. La struttura finale regge meglio gli stress dovuti ai fenomeni ondulatori.

Maggior sicurezzaQualche parola in più sulla sicurezza nei cantieri


Le TBM agiscono nel sottosuolo, o all’interno delle pareti rocciose, come una talpa. La �loso�a di base è proprio questa: una macchina capace di scavare un tunnel in grado di avanzare di passo in passo �no all’annullamento della faccia (un tunnel possiede una faccia �no a quando non viene completato, la faccia è proprio la super�cie soggetta a scavo).

## Le TBM, in un progetto di scavo, giocano un ruolo importantissimo. Sono infatti loro a determinare costantemente, e fino alla fine dei lavori, l’avanzamento delle operazioni e lo stato del tunnel di volta in volta costruito.

## Una TBM non si occupa solamente di scavare il tunnel. Si tratta di uno strumento estremamente polivalente. La TBM scava il tunnel ma possiede anche tante strutture per:

#1 Posizionare gli anelli di sostegno sulle pareti cilindriche del tunnel. Gli anelli vengono aggiunti di volta in volta che un nuovo tratto di tunnel è completato e garantiscono la stabilità della struttura e la non-cedevolezza del terreno (che, altresì, crollerebbe senza un valido sostegno).

#2 Espellere i materiali di scarto tramite un sistema di rulli, aspiratori di fango e vettori. In questo modo i detriti derivanti dalla perforazione vengono condotti al di fuori del tunnel (il cantiere) in maniera efficiente. Questa operazione viene condotta quasi senza alcun intervento umano, ci pensa la TBM a fare il tutto.

Il ruolo delle TBMTecniche di scavo semplici e veloci


1825 1846 18581848 1853 1950

Le TBM, come potremo vedere, non sono per niente un’invenzione recente. Premesso che, come detto, la possibilità di scavare tunnel non è vincolata all’uso di queste macchine (si tratta infatti della soluzione più e�ciente tra le tante esistenti), le TBM hanno un utilizzo abbastanza vicino ai giorni nostri.

Cercando di tracciare una possibile linea temporale, vediamo di capire come si sono evolute queste macchine.

Sir Marc Isambard Brunel effettua il primo tentativo di scavare con una concezione primordiale di TBM il tunnel del Tamigi. La macchina però non era una vera e propria TBM, la Tunnelling Shield (nome dato alla macchina) infatti permetteva solo agli operai di scavare il tunnel sotterraneo in sicurezza; la macchina fungeva unicamente da scudo protettivo.

Primavera dei Popoli in Europa. Gli insorgimenti bloccano i lavori del Frèjus.

Henri Joseph Maus costruisce la prima vera TBM per scavare il tunnel del Frèjus, la macchina prende il nome di Affettatrice delle Montagne.

Viene impiegata la prima TBM negli Stati Uniti per scavare l’Hoosac Tunnel nel Massachussetts. La macchina viene costruita da Charles Wilson e assunse il nome di Wilson’s Palented Stone Cutting Machine.

Il Frèjus Tunnel viene ultimato.

Il fondatore della Robbins Co. costruisce la prima TBM Robbins.

Breve panoramica storicaCome nascono e come si evolvono le TBM


Raffigurazione della costruzione del tunnel del Tamigi, Il Tunnelling Shield si pone a protezione degli operai.

Il Frejus tunnel, vista frontale.

In Europa nasce un’idea iniziale di TBM e in Piemonte (Regno di Sardegna) viene costruita la prima vera macchina scavatrice per i tunnel.

Il primo vero tentativo di concepire una TBM avviene nel 1825, data in cui Sir Marc Isambard Brunel scava il tunnel del Tamigi a Londra. I lavori vengono condotti in maniera abbastanza veloce proprio grazie alla sua Tunnelling Shield. Questa macchina funge semplicemente da scudo per gli operai durante i lavori. Lo scudo avanza progressivamente con gli scavi, manuali; ogni volta che un piccolo tratto viene scavato, la macchina si porta avanti dopo che i lavori di rivestimento nella parte retrostante vengono terminati.

Può sembrare strano, ma la prima TBM nasce a Torino, Italia. L’obiettivo è quello di costruire un tunnel che permetta di attraversare le Alpi per collegare Francia e Italia mediante linea ferrata. Il lavori vennero commissionati dal Re di Sardegna (Regno di Sardegna) nel 1846 e la macchina, costruita da Henri Joseph Maus, impiegata agiva davvero come una TBM dei giorni nostri, una versione naturalmente più semplice. Venne chiamata “Affettatrice delle Montagne”. La macchina montava ben 100 percussori montati su uno scudo anteriore che aveva la grandezza di una locomotiva.

Panoramica storica: 1825 - 1848TBM: strano a dirsi ma... un primato italiano


Portale Est dell’Hoosac Tunnel.

Dopo sette anni circa dal commissionamento dei lavori del Frejus in Italia, negli Stati Uniti viene realizzata la seconda TBM. Anni avanti nasce la prima TBM Robbins, la stessa società, oggi, è la leader nella progettazione e costruzione di TBM nel mondo.

Negli Stati Uniti la costruzione dell’Hoosac Tunnel portò alla realizzazione della prima TBM negli USA (la seconda nel mondo). La costruzione della macchina venne portata a termine da Charles Wilson.La macchina riprendeva alcuni aspetti di progettazione della TBM di Maus con uno schema simile per quanto riguarda la testa di perforazione che però era costruita in ghisa.Purtroppo entrambe le macchine erano ad uno stadio di sviluppo talmente primordiale che non riuscirono a terminare i lavori. Infatti il Frejus e l’Hoosac vennero ultimati mediante l’uso delle classiche tecniche di scavo.

Nel 1950 James S. Robbins costruì la prima TBM della omonima società di cui è stato il fondatore. La macchina fu la prima vera TBM che portò a termine gli scavi della diga di Oahe nel South Dakota. I lavori vennere iniziati e terminati interamente tramite il macchinario in tempi record. Robbins, con la sua prima TBM, non solo realizzò il traguardo di un processo di scavo interamente condotto tramite boring machine, ma riuscì a perforare in maniera veloce ed efficiente le famose argilliti sfaldabili mediante l’applicazione di una testa rotante, in effetti nessuna TBM prima aveva realizzato una perforazione con un sistema di rotori per la testa perforatrice.

Panoramica storica: 1853 - 1950Le TBM arrivano negli Stati Uniti


Le TBM vengono progettate e costruite da diverse società nel mondo. E’ importante sottolineare che questi macchinari sono il risultato dell’assembramento di moltissimi componenti: organi meccanici, elettronici senza contare tutta la componentistica hardware a supporto dei sistemi di bordo, la sensoristica e i componenti idraulici. Quindi le società che progettano queste macchine non costruiscono ogni componente, molti di questi vengono semplicemente collegati all’interno di uno schema più grande.

La Robbins nasce verso il 1952 con la costruzione della diga Oahe ad opera di James Robbins.

Robbins Company Mitsubishi Heavy Industries Ltd.

Società satellite della multinazionale Mitsubishi. Ha sede a Tokyo.

Oggi la Robbins è la prima società al mondo per la costruzione di tunnel per l’attraversamento di catene montuose e per la realizzazione di infrastrutture sotterranee.

La MHI-Infrastructure produce e distribuisce nel mondo le sue TEM (Tunnel Excavation Machinery) tra le quali troviamo anche le TBM. Questi macchinari sono distribuiti sopratutto in Giappone.

Il mercato delle TBM si è espanso solo di recente, più precisamente nel momento in cui le principali reti infrastrutturali per i trasporti in Europa, Asia, America e Giappone hanno iniziato a svilupparsi ed espandersi velocemente.

Evoluzione del mercato delle TBMLe principali società di riferimento nell’industria pesante


Mexico City, Mexico

Olmos, Perù

Andhra Pradesh, India

Tigard, Oregon, USA

English Channel, UK/France

La domanda del mercato è fortemente condizionata al numero crescente di progetti di scavo nel mondo. In genere i progetti hanno come obiettivo l’espansione di una rete stradale o la creazione di nuove linee di trasporto sotterranee non necessariamente collegate al trasporto civile (anche condutture, gasdotti, oleodotti, etc.).

Progetti di scavo nel mondoProgetti di scavo Robbins attualmente in essere


Testa rotante

Disco di taglioCamera per la raccolta dei detriti di scarto

Martinetto idraulico per stabilizzare la macchina durante l’attività

Piedi di appoggio ed adesione alla

superficie cilindrica del tunnel

Rulli di trasporto detriti (verso

l’uscita del tunnel)

Camera di controllo (manovre e sistemi di bordo)

Esplosione schematizzata e dettaglio di una TBM

Uscita tunnel

Faccia tunnel

Martinetti idraulici

TESTA ROTANTE CORPO, CONTROLLO E SISTEMI DI BORDO SISTEMI DI BACK-UP

Cerchiamo di capire adesso come è strutturata una generica TBM. Esistono tantissime tipologie di TBM legate principalmente al terreno soggetto al processo di scavo. Sono presenti, malgrado ciò, delle componenti essenziali riscontrabili in ciascun macchinario.

Componenti principali di una TBMUna panoramica sulla struttura generale


La testa rotante è la parte principale della macchina. Il suo scopo è generare la forza di attrito e l’energia necessaria alla perforazione progressiva del tunnel (erosione della faccia).

## Forma, materiali e accessori della testa sono estremamente variabili a causa delle condizioni del terreno da perforare. Il terreno incide moltissimo sulla progettazione della TBM e per questo motivo che una TBM in genere non può esere utilizzata per più progetti di scavo.Il terreno condiziona anche la tipologia stessa di perforazione (e quindi di testa rotante), riconosciamo due famiglie in particolare:#1 Hard-Rock TBM: Il terreno è in forma estremamente compatta, solida, generalmente si

tratta di rocce e monoliti. In questo caso la testa utilizza materiali pesanti e dischi di taglio ad alta velocità in diverse leghe metalliche.

#2 Soft-Ground TBM: Il terreno si presenta sfaldato e non compatto. I questo caso lo scopo della perforazione non è tanto tagliare, ma sfaldare. Per questo i dischi di taglio sulla superficie sono costruiti con leghe simili al Carburo di Tungsteno.

## Sulla superficie della testa sono sparsi, secondo uno schema a raggiera in genere, una serie di dischi di taglio. Si tratta di componenti discoidali di materiale composito che, ruotando, imprimono l’attrito necessario alla perforazione. La testa ruota anch’essa. La rotazione dei dischi e della testa (rotazioni che eseguono su piani perpendicolari) genera la forza necessaria a condurre gli scavi.

## Sulla testa sono sparsi, inoltre, vari sensori, per monitorare costantemente lo stato della perforazione e della componente stessa. Si tratta infatti della componente soggetta a maggior stress (meccanico, termico soprattutto).

La testa rotanteScopo, struttura e funzionalità


Testa rotante utilizzata nel 2007 a New York City dalla Gall Zeidler Consultants llc per scavare un segmento metropolitano. Opera commissionata dalla Metropolitan Transportation Authority (MTA) e dalla Long Island Railroad.

Testa rotante di una Hard-Rock TBM Robbins utilizzata nel 2008 per gli scavi di un tunnel a Devarakonda in Andhra Pradesh (India). La testa ha un diametro di 10 metri.

Testa rotante costruita dalla DavyMarkham su commissione della Robbins per l’assemblaggio di una Hard-Rock TBM usata nei lavori di costruzione della centrale idroelettrica Jinping II nel Sichuan (Cina).

Modello Hard-Rock TBM 235-282 della Robbins costruita per gli scavi del Chattahoochee Tunnel in Atlanta, Georgia (USA) nel 2000-04. La testa ha un diametro di 18 piedi (circa 5.5 metri). Il tunnel, oggi, è parte dell’infrastruttura fognaria cittadina.

Di seguito sono riportate alcune immagini di teste rotanti di TBM, notare sopratutto la super�cie (forma e spessore), i dischi rotanti e la loro disposizione.

La testa rotante (2)Alcune immagini


La testa di una TBM è l’insieme di due componenti in realtà: una super�cie di scavo (notevolmente spessa) ed una camera di raccolta scarti. Quest’ultima è una componente rivestita da un pannello cilindrico contenente una serie di organi meccanici per la raccolta dei detriti generati dallo scavo.

## La superficie di perforazione presenta non solo i dischi di taglio, ma anche una serie di fori speciali. Durante la sua rotazione, la testa produce una certa massa di detriti di dimensione relativamente piccola. Tutti i detriti scivolano naturalmente all’interno di questi fori per pervenire all’interno della camera di raccolta retrostante (che non ruota).

## La camera di raccolta scarti si interfaccia direttamente con la superficie perforatrice mediante una serie di organi meccanici costituiti da aspiratori e scivoli per poter far confluire i detriti (che non sono sempre rocce o pietre, ma fango a volte) verso i rulli di trasporto (conveyor, tape) ed i sistemi di back-up che si occuperanno di portare gli scarti fuori per non intralciare i lavori (e lasciare pulito il cantiere).

## L’intero sistema superficie di scavo e camera raccolta costituisce la testa della macchina. Non è raro che, a volte, nella camera di raccolta siano applicati dei sensori per l’analisi del materiale di scarto in maniera da rilevare materiale anomalo duranti gli scavi. in genere questa attività non viene svolta perchè l’analisi geologica del terreno da scavare viene effettuata prima degli scavi ed in maniera precisa.

La testa rotante (3)Camera di raccolta materiali


Un disco (cutter) in fase di lavorazione.

I dischi di taglio, o “cutter”, sono una delle componenti più cruciali della testa di una TBM. La progettazione della testa focalizza sopratutto la fase decisionale, e vede la scelta dei materiali di costruzione dei dischi come uno dei principali obiettivi da raggiungere.

## I dischi di taglio rappresentano uno dei punti che maggiormente incidono nei costi di una testa rotante per le TBM. Per questo motivo, dipendentemente dalle condizioni geologiche del sito di scavo, e dal tempo di perforazione, i dischi vengono trattati in maniera da rendere la loro “vita” quanto più lunga possibile, nell’ottica, anche, della possibilità di un loro riuso in altri progetti.

## I dischi hanno un diametro che varia in base alla TBM e dunque dall’entità del tunnel da scavare, dai 6 ai 20 pollici.Normalmente le parti di una TBM sono molto specifiche e non possono essere riutilizzate in altre macchine. I dischi esulano da questa logica in quanto permettono un loro riuso. Le case costruttrici cercano di produrre dischi riutilizzabili nelle TBM di propria produzione o anche per TBM appartenenti ad altre compagnie.

## Back-loading cutter: Una tipologia di dischi davvero importante è quella dei back-loading. Si tratta di cutter in grado di facilitare il processo di cambio dei dischi in condizioni di instabilità del terreno in cui opera la TBM. Queste frese vengono montate dalla parte posteriore della testa, rendendo più sicuro il processo (la testa deve però supportare il back-loading).

La testa rotante (4) - Dischi rotantiAnalisi dei dischi di taglio


La parte centrale delle TBM fa da “ponte” di connessione tra la testa rotante e i sistemi di back-up. Il corpo centrale contiene soprattutto i controlli principali della macchina oltre, naturalmente, alla “cabina di pilotaggio”.

## La macchina possiede una cabina di controllo nel corpo centrale. Alcune TBM hanno anche un alloggio predisposto per un operatore. La cabina di controllo possiede i comandi principali per gestire lo scavo e i principali parametri della TBM mentre questa è all’opera. Le TBM moderne sono comunque provviste di un sistema di controllo a panello removibile (così da poter meglio osservare i risultati dei lavori mentre la macchina è all’opera).

## I controlli permettono di agire su vari parametri della TBM: velocità di rotazione, controllo sospensioni ed altro ancora. Sono soprattutto importanti le interfacce con la sensoristica di bordo per il controllo di temperatura, pressione, sistemi idraulici, stabilità e così via.

## I sistemi di bordo sono alloggiati nel corpo centrale assieme anche ai quadri di gestione dell’alimentazione della macchina. Le TBM sono collegate ad alimentazione elettrica con alti voltaggi; i principali sistemi per il monitoring dei consumi vengono resi disponibili al personale tecnico che, durante i lavori, controlla periodicamente i valori.

## Anche i sistemi di sicurezza hanno alcune interfacce nel corpo centrale della macchina; in particolare tutti i controlli per il blocco di emergenza della macchina e per l’interruzione elettrica di emergenza.

Il corpo centraleScopo, struttura e funzionalità


Rendering tridimensionale di una TBM all’opera. I martinetti laterali spingono il macchinario causando la pressione della testa rotante sulla faccia del tunnel. I supporti laterali stabilizzano la macchina.

Rendering particolareggiato dei martinetti idraulici di spinta. Notare i supporti di stabilizzazione.

Visione laterale completa di una TBM durante gli scavi. Come si vede è presente la cabina di comando (nella parte posteriore) e diversi apparati per consentire la presenza umana nel macchinario.

Di seguito sono riportate alcune immagini del corpo centrale di diverse TBM. Notare gli organi meccanici e i martinetti idraulici di stabilizzazione e spinta.

Il corpo centrale (2)Alcune immagini


La parte terminale è dedicata ai sistemi di espulsione degli scarti. Le TBM inoltre possiedono due sistemi molto importanti: il sistema di spinta (per assicurare l’avanzamento degli scavi) e quello di stabilizzazione per mantenere la macchina in asse.

## Back-Up: I sistemi di backup assicurano che i detriti e tutti gli scarti raccolti vengano espulsi al di fuori del sito di scavo. Malgrado non sembri così importante, questo sistema assume rilevanza perchè mantiene pulito il cantiere ed assicura una corretta esecuzione degli scavi, automatizzando un processo che, manualmente condotto, richiederebbe ore invece di minuti. Notare che non sempre il sistema di backup deve espellere materiale solido, molto spesso si tratta di fango o di polvere fina; per questo motivo ai classici rulli di trasporto possono affiancarsi pompe aspiranti ed altri meccanismi più complicati.

## Spinta: Il sistema di spinta è caratterizzato da una serie di martinetti idraulici. In effetti la macchina possiede molti martinetti che la assicurano alla superficie cilindrica del tunnel parzialmente scavato; ma non tutti hanno come scopo la gestione della spinta. I martinetti adibiti a questa funzione hanno una grandezza superiore e sono fissati nei punti centrali e posteriori della macchina fissandola alle pareti e fornendo una spinta controllata tramite i sistemi di bordo.

## Stabilizzazione: Il sistema che garantisce la stabilità del macchinario è formato da martinetti idraulici e sensori di equilibro in grado di rilevare la messa in asse della macchina durante gli scavi. I martinetti adibiti alla stabilità possiedono varie dimensioni, la macchina fa uso di due/tre martinetti di grandi dimensioni come una sorta di pilastri portanti (alcuni di essi assicurano anche la spinta).

Sistemi di back-up, spinta e stabilizzazioneScopo, struttura e funzionalità


Rendering tridimensionale di una TBM all’opera. La rappresentazione visualizza un sezione laterale del tunnel in fase di scavo riuscendo a mettere in evidenza tutto il sistema posteriore di organi meccanici, pompe idrauliche e nastri trasportatori. La parte posteriore di una TBM si può estendere anche fino all’ingresso del tunnel, dando l’impressione che la TBM agisca come un serpente.

Rendering tridimensionale di una TBM durante gli scavi. in questo caso, l’immagine mostra un sistema di back-up diversamente organizzato con i rulli trasportatori in netta evidenza rispetto alla TBM riportata in alto. E’ intuibile che l’entità dei lavori, in questa immagine, è notevolmente dofferente rispetto alla TBM mostrata sopra, il diametro del tunnel è minore e la macchina si presenta “meno massiccia” e più semplice a livello strutturale.

Di seguito sono riportate alcune immagini dei sistemi di back-up delle TBM. Notare le varie tipologie di espulsione, i rulli in particolare.

Sistemi di back-up (2)Alcune immagini


AVANZAMENTO DELLA TBM

SISTEMA DI POSIZIONAMENTO DELLE GRIGLIE DI PROTEZIONE

SISTEMA DI POSIZIONAMENTO DEGLI ANELLI DI PROTEZIONE

SISTEMA DI RIVESTIMENTO DELLE PARETI

Descriveremo, adesso, il �usso operativo di una TBM. Cercheremo, in sostanza, di seguire il movimento della TBM all’opera focalizzando sui meccanismi che ne consentono l’avanzamento, la guida e la sua messa in sicurezza.

I sistemi accessori, invece, descritti contestualmente alle dinamiche della TBM, verranno esaminati per sottolineare come la TBM sia in grado di costituire non solo un sistema di scavo, ma un vero e proprio “kit di costruzione per tunnel”.

Focalizzeremo la nostra analisi, principalmente, su questi elementi:

Dinamiche e sistemi accessoriDeep dive nelle TBM


AVANZAMENTO DELLA TBM

All’inizio la TBM è pronta e in rotazione, in attesa dell’attivazione del sistema di spinta.

1

Il sistema di spinta si attiva contraendo i martinetti e liberando i supporti laterali dalla loro posizione.

2

I supporti vengono portati nella nuova posizione (più avanti rispetto a prima).

3

I supporti vengono fatti aderire alla superficie del tunnel nella nuova posizione.

4

Il processo di spinta inizia e i martinetti imprimono la pressione per spingere la testa rotante.

5 La TBM si muove quasi esattamente allo stesso modo di un lombrico. Utilizzando i supporti laterali (capaci di adeire, grazie alla componente perpendicolare della spinta generata dai martinetti, alle pareti), la TBM avanza all’interno del tunnel.

La TBM avanza durante gli scavi in maniera continua e senza interrompere la rotazione della testa. I martinetti e i supporti laterali permettono il corretto avanzamento.

Dinamica di avanzamentoStudio del sistema che permette alla TBM di avanzare


POSIZIONAMENTO GRIGLIE

Un arco di griglia viene posizionato da una componente posta subito dietro la testa in rotazione.

1

La posizionatrice si ritira nel momento in cui il macchinario avanza negli scavi.

2

Una nuova griglia viene preparata per poi essere posizionata subito dopo la precedente.

3

All’avanzare della TBM, il ciclo di posizionamento delle griglie viene ripetuto dall’inizio.

4 La TBM non funge solamente da macchinario per scavare il tunnel. La TBM crea il tunnel; ovvero procede agli scavi e procede anche a rendere il tunnel immediatamente agibile. I sistemi accessori che permettono questo appartengono alla classe dei sistemi di messa in sicurezza del macchinario. Se le pareti non venissero opportunamente rivestite, prima con le griglie e, come vedremo fra poco, con gli anelli metallici e con strati di materiale di rivestimento, il tunnel finora scavato cederebbe su se stesso (e sulla TBM).

La TBM, durante il suo avanzare, si accerta anche di compiere le operazioni di rivestimento della super�cie scavata: le griglie metalliche sono il primo step.

Dinamica di posizionamento griglieStudio del sistema per posizionare le griglie protettive


POSIZIONAMENTO ANELLI

L’anello viene assembrato ad archi e quindi posizionato immediatamente prima che la TBM avanzi.

1

Ad un passo fissato, un nuovo anello viene assembrato e dunque posizionato dietro il precedente.

2

La macchina avanza e gli anelli vengono posizionati progressivamente.

3

Il ciclo di posizionamento continua mentre la macchina effettua gli scavi.

4 Il sistema ad anelli permette di mettere in sicurezza la macchina durante gli scavi. Si tratta, però, di un accorgimento che non sempre viene preso in esame. Dipendentemente dalle caratteristiche del sito, il sistema ad anelli viene montato o meno sulla TBM progettata.Gli anelli costituiscono una buona protezione per la TBM quando questa opera in terreni difficili.

Gli anelli metallici sono un altro sistema per mettere in sicurezza la TBM durante gli scavi. Gli anelli, quando previsti, sono applicati prima delle griglie.

Dinamica di posizionamento anelliStudio del sistema per posizionare gli anelli metallici


RIVESTIMENTO PARETI

La testina del robot di rivestimento è in grado eseguire movimenti circolari completi.

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La testina si sposta su di un asse in grado di spaziare su una superficie circolare completa.

2

Il materiale di rivestimento viene rilasciato dalla testina tramite un diffusore spray.

3

La superficie del tunnel, porzione per porzione, viene interamente rivestita mentre la TBM avanza.

4 Il sistema per il rivestimento del tunnel è situato nella parte posteriore della TBM in prossimità dell’inizio dei sistemi di back-up. E’ l’ultimo dei sistemi di messa in sicurezza della macchina in ordine di attivazione. Questo sistema si prefigge infatti di concludere i lavori di svolti dai sistemi analizzati precedentemente.Un materiale di rivestimento viene diffuso lungo le pareti appena scavate e permette di ripulire la superficie del tunnel da scarti di scavo e materiale residuo.

Nella parte posteriore della TBM, un apposito sistema viene montato per rivestire le pareti del tunnel con un prodotto in grado di “ripulire” la super�cie scavata.

Dinamica di rivestimento paretiStudio del sistema per rivestire le pareti del tunnel


I martinetti contratti si preparano per esercitare la spinta che farà avanzare la TBM.

1

I martinetti portano i supporti ad aderire alle pareti del tunnel per mantenere la TBM in asse.

2

Con i supporti ben aderenti alle pareti, i martinetti possono spingere la testa rotante della TBM.

3

I carrelli posteriori fanno avanzare, assieme alla macchina, tutti i sistemi di back-up.

1

Il doppio carrello permette di far avanzare i sistemi generando uno shift corretto delle componenti.

2

Dopo il primo carello, anche il secondo si ritira ed il ciclo inizia da capo. L’intera TBM si muove.

3

Ci so�ermiamo per un momento sulle dinamiche che permettono alla TBM di avanzare. Avendo già visto come il sistema di martinetti sia in grado di muovere la TBM e di assicurare la spinta necessaria alla perforazione, ci pre�ggiamo l’obiettivo di rivedere, con maggiore dettaglio, la sequenza di movimenti del sistema martinetti/supporti.

Ancora sulle dinamiche di avanzamentoDettaglio sui movimenti dei martinetti


Excavation

Vengono esaminati i problemi a cui far fronte e si valutano le tecnologie necessarie.In questa fase è di fondamentale importanza l’ingegneria dei requisiti che permette di esaminare le soluzioni a cui il committente vorrebbe fare riferimento.

ANALYSIS

La progettazione viene avviata a requisiti de�niti.Guardando costantemente a questi, è infatti possibile organizzare le soluzioni scelte fornendo il massimo dalle tecnologie disponibili in maniera da soddisfare al meglio i vincoli posti dal committente.

DESIGN

La fase di costruzione permette di mettere e�ettivamente in atto i servizi precedentemente descritti.In questo livello dello sviluppo è possibile fare riferimento alla tecnologia scelta e assembrare le parti scelte o costruite ad-hoc (se necessario).

CONSTRUCTION

I test vengono eseguiti già in una fase preliminare; i più importanti, a questo livello, sono i test modulari e quelli a componenti singole. Prima della fase di rilascio �nale, vengono condotti i test globali sulle funzionalità della macchina oltre a quelli sui principali sistemi di bordo e di emergenza.

TEST & RELEASE

Components Design

Building & Assembling

Testing PatternsReuirements Analysis

Il �usso di sviluppo viene seguito dalle società costruttrici per poter portare a termine una TBM concordemente con i vincoli e i requisiti chiesti dal committente (in relazione allo scavo da dover e�ettuare).

Il flusso si compone di quattro step secondo un modello forward-only (ideale).

Flusso di sviluppo di una TBMGli step principali del �usso operativo


Il primo step dello sviluppo è la progettazione. In questa fase non si costruisce niente, ma si lavora con strumenti di design al �ne di ideare il concetto di quello che bisogna costruire. Raccogliere ed analizzare le speci�che è necessario per ottenere una TBM che possa scavare in un sito che ha delle sue peculiarità.

#1 Le TBM non vengono prodotte in serie. Una TBM è sempre diversa da un altra perchè deve scavare in condizioni specifiche. Per questo le TBM non vengono prodotte e vendute, ma richieste, prodotte, usate e poi, molto probabilmente, smantellate per costruire altre TBM.

#2 La raccolta dei requisiti, per le TBM, coinvolge essenzialmente un aspetto solo (gli altri aspetti di progettazione sono marginali ai fini della nostra analisi): le condizioni geologiche del sito di scavo. Determinare la morfologia del terreno, delle rocce, le caratteristiche del sito, altitudini, temperature, umidità, composizione rocciosa ed altro ancora, determinerà le caratteristiche della testa, i materiali da utilizzare, i dischi di taglio, le velocità di rotazione, l’avanzamento e tutte le proprietà della TBM.

#3 Come anticipato spesso, una TBM non può essere riutilizzata per altri scavi. Questo accade perchè è impossibile costruire una TBM che non sia specifica per un sito di scavo. Ci sono, però delle limitazioni a questo. La testa di sicuro è la componente meno riutilizzabile (a meno che i siti di scavo siano davvero molto simili), i sistemi di bordo vengono invece riutilizzati spesso, sicchè lo scheletro di base di una TBM è sempre costruito indipendentemente dalle richieste del committente, sono gli accessori applicati a differire. Lo stesso vale per i sistemi di back-up, solo in caso di forti variazioni delle percentuali di acqua si ha la necessità di sfruttare un differente sistema di espulsione degli scarti (pompe o nastri trasportatori).

Ingegneria dei requisitiRaccolta e analisi delle speci�che


Un esempio reale di come la fase di raccolta dei requisiti sia determinante è rappresentato dagli scavi della linea metropolitana 12 condotti dalla Robbins Co. a Mexico City nel Febbrario 2010. E’ da notare come un fallimento nell’analizzare bene il terreno possa determinare forti rallentamenti negli scavi o addirittura la totale inadeguatezza della macchina nei confronti dell’attività di perforazione.

#1 La TBM da progettare avrebbe dovuto scavare a basse profondità (fattore urbano). Questo ha determinato già un flusso di progettazione dedicato a TBM atte ad operare a profondità non eccessive. In tali condizioni il terreno non è mai compatto, quindi il progetto di scavo avrebbe dovuto prendere in esame una Soft-Ground TBM o simile.

#2 L’analisi geologica ha mostrato un territorio caratterizzato da una composizione davvero unica: sabbia, conglomerati, argilliti e sacche ad alta percentuale di acqua. La progettazione aveva inizialmente preso in esame una TBM sulla quale poter cambiare la testa rotante (nelle zone ad alta percentuale d’acqua), ma questa soluzione è stata successivamente soppiantata da una più flessibile e meno costosa: una TBM a due stadi localizzati nel sistema di back-up per poter espellere gli scarti solidi e liquidi (nelle zone molto umide).

#3 La progettazione ha agito pesantemente sulla testa rotante (a causa della particolare composizione del terreno) e sui sistemi di back-up utilizzando vari tipi di nastri trasportatori e pompe idrauliche per l’aspirazione dei fanghi.

Ingegneria dei requisiti (2)Un caso reale


A progettazione ultimata le parti individuate vengono assembrate e costruite. Notare che per alcune componenti è necessaria una progettazione a parte (in alcuni casi i dischi di taglio possono subire una pesante progettazione a causa di condizioni geologiche particolarmente ostiche o diverse da quelle trattate in precedenza).

#1 La fase di costruzione della TBM in genere coinvolge un processo di assembramento degli organi meccanici su di una struttura di supporto abbastanza comune: il telaio. Si tratta dello scheletro della TBM ed è in genere abbastanza comune per tutte le TBM perchè è approssimativamente lo stesso per ogni macchina (dimensioni a parte). Il suo compito è quello di fornire un’impalcatura sulla quale agganciare i vari componenti (testa, rulli, apparati vari).

#2 Le TBM possono essere assembrate in fabbrica oppure direttamente in cantiere. Quest’ultima tecnica prende il nome di OFTA: On-site Firt Time Assembly e consiste nel comporre la TBM ed agganciare i pezzi più grandi direttamente in-situ. L’OFTA è stato utilizzato nel progetto Robbins per gli scavi della linea 12 in Mexico City ed è molto utile sopratutto quando le condizioni del territorio non sono idonee al trasporto del macchinario già ultimato.

#3 E’ bene notare che il flusso di progettazione di una TBM non è semplice. Ad essere progettate e costruite non sono solo le componenti meccaniche o, per meglio dire, fisiche. E’ presente anche una notevole componente software che deve essere progettata, sviluppata e installata. I team informatici appartengono in genere a differenti case di sviluppo, ma alla fine il software commissionato è specifico per l’architettura (software) montata sulla TBM.

Dalla progettazione alla costruzioneGli step per assembrare una TBM


Main Beam TBM

Macchinari per scavare attraverso pareti rocciose solide e compatte. Questa modalità di scavo è nota come: Hard-Rock Boring.

Single Shield TBM

TBM per la perforazioni di pareti rocciose frastagliate e non compatte a basso rischio di sfaldamento o collasso.

Double Shield TBM

Macchinari per scavare attraverso pareti rocciose fortemente fratturate e frastagliate con alti rischi di sfaldamento o collasso.

EPB Machine(s)

Macchinari per scavare al di sotto del suolo cittadino o a basse profondità. Soddisfano la necessità di causare la minima subsidenza.

Esistono di�erenti tipologie di TBM in base alle necessità di scavo da dover fronteggiare e alle dimensioni del tunnel da scavare.

Classi�cazione delle TBMTassonomia delle TBM


Visione globale di una Main Beam TBM. La testa è costituita da una superficie di attacco abbastanza spessa costellata di frese opportunamente disposte. I sistemi di back-up sono adattabili a tutte le condizioni: detriti, conglomerati o fanghi.

Le Main Beam TBM vengono utilizzate lì dove è necessario scavare tunnel attraverso pareti rocciose caratterizate da alta compattezza e rocce monolitiche.

#1 Una Main Beam TBM permette di perforare in maniera ottimale superfici estremamente compatte. Per riuscire nell’obiettivo la testa rotante è dotata di frese a disco opportunamente disposte in grado di fratturare la faccia del tunnel. La rotazione multipla della testa e delle frese permette di generare un effetto per cui la parete viene quasi “esfoliata” strato per strato.

#2 Una delle caratteristiche più importanti di questa tipologia di macchinari è la possibilità di poter avere accesso alla superficie della testa da dietro la stessa. Il design della TBM consente, infatti, al personale di poter accedere alle frese e agli organi più importanti della superficie di perforazione, tramite opportuni accessi localizzati nella parte posteriore della testa. Il back-loading è dunque consentito e permette di poter facilmente cambiare frese o altre componenti senza la necessità di far indietreggiare la macchina (operazione molto complicata).

Main Beam TBMPerforazione di pareti compatte e hard-rock boring


Equipaggiamento di base

## Sistema di adesione laterale per mantenere la TBM in asse e stabile durante la perforazione.

## Stabilizzatori idraulici laterali per mantenere stabile la TBM.

## Sistema laser di manovra ad alta precisione.

## Sistema di drenaggio diretto degli scarti all’interno della testa perforante.

Equipaggiamento opzionale

## Sistema idraulico a ciclo chiuso di raffreddamento.

## Sistema di perforazione al tetto per stabilizzare le zone rocciose ad alto livello di sfaldabilità.

## Sistema di posizionamento degli anelli di rivestimento per terminare la copertura del tunnel.

## Sonda scavatrice di supporto montabile nella testa per verificareil terreno prima della perforazione.

## Rilevatori di gas.

## Sistema automatico di guida.

Le Main Beam TBM possono presentarsi nel mercato con alcune caratteristiche opzionali, mentre altre, generalmente, rimangono una costante.

Main Beam TBM (2)Scheda tecnica


Visione globale di una Single Shield TBM. E’ possibile vedere lo scudo di protezione che scherma tutti gli organi interni del macchinario. Notare inoltre come il sistema di adesione e stabilizzazione sia differente a causa della presenza dello scudo. Il sistema di backup parte direttamente dalla parte posteriore della testa.

Le Single Shield TBM trovano impiego in siti di scavo caratterizzati da terreno non compatto ed estremamente frastagliato. Questa condizione geologica in�uenza molti parametri costruttivi delle TBM.

#1 La caratteristica principale di una Single Shield TBM è la presenza di uno scudo a protezione del personale. Questo scudo, costituito da componenti circolari modulari assembrabili in fase di perforazione, protegge il macchinario e i suoi organi dalla caduta dei detriti causata dall’attività di perforazione. La necessità di uno scudo deriva dall’impossibilità di garantire la compattezza del terreno e dunque la stabilità delle pareti del tunnel.

#2 Il problema delle TBM a scudo è quello di garantire il rapido avanzamento della protezione. Dato che la TBM si muove in avanti, e data l’assenza di binari, ma la presenza di tutto un sistema a carrelli che mobilita la macchina nel suo avanzare, è necessario che anche lo scudo avanzi. Ad ogni metro o due metri che la testa riesce a coprire, i moduli dello scudo vengono rapidamente agganciati a quelli preesistenti garantendo che la minor massa possibile di detriti possa entrare nel macchinario.

Single Shield TBM Perforazione di pareti frastagliate e soft-ground boring



## Superficie di perforazione liscia per la rimozione di rocce frastagliate.

## Sistema di back-loading.

## Sistema a griglie per la prevenzione dell’ingestione di conglomerati soprasoglia in dimensione.

## Sistema di istallazione degli anelli protettivi lungo le pareti del tunnel.

## Sistema anti-torsione per la testa rotante.

## Sistema di allineamento automatico per maggiore precisione della guida.


## Sistema di emergenza per la prevenzioni di situazioni di intrappolamento della macchina a causa di forti pressioni del terreno.

## Sistema di registrazione e proiezione di dati rilevanti durante lo scavo (pressione, frequenza di avanzamento, dissipazione in potenza, etc.).

## Sistema automatico di chiusura dei rulli di raccolta fanghi al rilevamento della presenza di scarti di scavo in ingresso dallo scudo.

## Sistema di protezione della giuntura testa/corpo per evitare l’ingresso di fanghi o scarti.

Le Single Shield TBM garantiscono un certo equipaggiamento di base che comprende molti elementi; l’equipaggiamento aggiuntivo diminuisce i tempi di completamento.

Single Shield TBM (2)Scheda tecnica


Visione globale di una Double Shield TBM. E’ possibile notare il doppio scudo nella zona frontale del macchinario. Lo scudo telescopico è innestato all’interno dello scudo di presa e posteriore e permette di creare un continuum protettivo per gli organi meccanici.

Le Double Shield TBM sono una risorsa impiegabile per le operazioni di scavo più di�cili in cui l’elevata etereogenità del terreno determina condizioni di bassissima compattezza e stabilità del sito di scavo.

#1 Una Double Shield TBM è caratterizzata, in breve, dalla testa rotante, seguita subito da tre scudi:

#1.1 Scudo telescopico: Uno scudo formato da una lamina non troppo spessa in grado di determinare un certo spazio di spostamento sul quale i successivi due scudi (posizionati all’esterno) possono muoversi (shift).

#1.2 Scudo di presa: Uno scudo, spesso, che segue subito dopo la superficie di perforazione e che è parte integrante della testa rotante. Il suo scopo è proteggere tutto il sistema interno alla testa per la raccolta diretta degli scarti scavati.

#1.3 Scudo posteriore: Uno scudo, spesso, che protegge tutto il corpo della TBM. Si tratta di una protezione che svolge le stesse funzioni dello scudo singolo presente nelle Single Shield TBM.

Double Shield TBMPerforazione in condizioni molto di�cili



## Superficie di perforazione liscia per la rimozione di rocce frastagliate.

## Sistema di back-loading.

## Sistema a doppia rivelazione di pressioni anomale delle pareti del tunnel atte a causare un disallineamento della macchina dal suo assetto base.

## Sistema automatico di allineamento su monitoring delle condizioni esterne.

## Sistema telescopico di probing per sondare il terreno prima dell’effetivo scavo ad opera della testa rotante.


## Sistema real-time di acquisizione dati ad alta affidabilità: monitoring per pressione, velocità, penetration rate, umidità ed altri sensori.

## Sistema aggiuntivo per il probing del terreno.

## Variatore (ad alta precisione) di velocità di rotazione della testa della TBM.

## Sistema di rilevamento gas.

## Sistema di guida automatica ad alta precisione.

## Sistema di telecamere a ciclo chiuso operanti su vari spettri.

Le Double Shield TBM hanno, un equipaggiamento standard molto simile a quello delle Single Shield TBM. L’equipaggiamento extra determina un signi�cativo enhancement.

Double Shield TBM (2)Scheda tecnica


Visione globale di una EPBM. Come è possibile notare lo scudo è molto compatto, liscio, in grado di sopportare pressioni molto elevate. Il sistema di backup è molto anticipato rispetto al normale ed è composto essenzialmente da pompe aspiranti. La cabina di pilotaggio è in fondo.

Le EPBM sono macchinari molto utilizzati dato il loro campo applicativo: sottosuolo a basse profondità o, in genere, sottosuolo cittadino. Le condizioni del terreno sono tali per cui l’eventualità di subsidenze è probabile, le EPBM devono evitare questi fenomeni.

#1 Il campo in cui si muovono queste macchine è quello del soft-ground boring, in cui le condizioni del terreno ammettono la presenza di sacche d’acqua a volte a pressione considerevole. Il terreno è inoltre caratterizzato da elevata umidità ed una percentuale d’acqua che rende necessario, per le EPBM, l’applicazione di potenti sistemi di aspirazione dei fanghi.

#2 La struttura delle EPBM prevede, essenzialmente, uno scudo posto tra la superficie di rotazione ed il corpo principale (ovvero ricopre tutta la testa rotante ad eccezzione della superficie di perforazione). Questo scudo riesce a reggere una pressione fino a 10 bar riscontrabile durante gli scavi per condizioni geomorfologiche in cui il machinario opera.

#3 Queste macchine spesso fanno uso di dischi a varie tipologie di carburi (soprattutto quello al tungsteno), in mainera da rendere efficiente le operazioni di sfaldamento della faccia del tunnel in considerazione delle difficili condizioni del terreno.

Earth Pressure Balance Machine(s)Perforazione in siti a bassa profondità o nelle città


## Superficie di perforazione predisposta per l’applicazione di varie componenti.

## Sistema di back-loading.## Frese di taglio a punta per la per la

perforazione di strati dove viene rilevata l’assenza di roccia compatta e conglomerati.

## Testa rotante con sistema VFD (Variable Frequency Driver).

## Copertura totale o semi-totale della superficie di perforazione con frese a punta o a disco.

## Sistema aggiuntivo di frese per esigenze varie ed eventuali.


## Sistema digitale automatizato per la guida e l’allineamento della macchina o per il monitoraggio delle condizioni esterne.

## Design più affusolato per migliorare l’assenza di attriti.

## Sigilli e giunture resistenti a pressioni molto elevate.

## Sistema ad alta velocità per il posizionamento degli anelli di sicurezza.

## Sistema di rilevamento ad alta precisione di pressioni anomale.

## Sistema di guida automatica con feedback sui sensori di pressione.

Le EPBM presentano un equipaggiamento standard totalmente di�erente dalle altre tipologie di TBM soprattutto riguardo le componenti della testa rotante.


Earth Pressure Balance Machine(s) (2)Scheda tecnica


Informazioni sul progetto

Nome ufficiale del progetto: Alimineti Madhava Reddy (AMR)

Tipologia di macchina impegata:

Diametro:

Tipologia di tunnel:

Lunghezza del tunnel:

Owner:

Sito di scavo:

Contractor:

Double Shield TBM

2 x 10.0 m

Trasferimento d’acqua

43.5 Km


Government of Andhra Pradesh

Jaiprakash Associates Ltd.

Esamineremo, adesso, in ultima battuta, un caso di studio riguardo la creazione di quello che fra qualche anno sarà uno dei tunnel più lunghi del mondo.

Una volta completo nel 2012, AMR Project sara` il tunnel piu` lungo del mondo senza accesso intermedio.

Progetto Alimineti Madhava Reddy (AMR)Analisi di un caso di studio Robbins Co. (India - 2008)


Altre caratteristiche del progetto

Obiettivi: Il tunnel e` stato concepito per il trasferimento dell'acqua in eccesso, durante le inondazioni, dal fiume Krishna alle zone aride dello stato Indiano Andhra Pradesh. Cosi` facendo sara` possibile fornire acqua per irrigare 1200 Km2 di campi e acqua potabile per 516 villaggi della zona.

Peculiarità: Il tunnel raggiunge un massimo di 500m sotto terra per due ragioni:

#1 L'acqua deve defluire senza necessita` di pompe.#2 Passa sotto Nagarjuna Sagar Tiger Reserve, il

Santuario delle Tigri del Bengala piu` grande in India.

AMR possiede peculiarità molto importanti che lo hanno reso oggetto di questo caso di studio. I motivi sono essenzialmente due: in primo luogo AMR solleva molte problematiche ardue superate grazie a opportune soluzioni ingegneristiche (alcune innovative); in secondo luogo perchè è un progetto ambizioso che mette in campo due TBM e mette in luce la piena potenzialità di queste macchine.

Progetto Alimineti Madhava Reddy (AMR)Qualche informazione in più...



Nel Maggio 2996 si è concluso il contratto tra la Robbins Co. e la JAL (Jaiprakash Associates Ltd.) per due Double Shield TBM dal diamentro di 10.0 metri ciascuna.

Progetto Alimineti Madhava Reddy (AMR)Stipulazione del contratto di scavo


Tunnel da costruire

Il sito di scavo è inserito all’interno dell’area delimitata dalle zone abitate di Srisailam Dem e Dindi Reservoir. Purtroppo l’assenza di cartine del progetto non permette maggiori dati.

Progetto Alimineti Madhava Reddy (AMR)Sito di scavo


Dettagli sull’OFTA

Vantaggi: Invece che assemblare la macchina in un impianto di produzione, il processo OFTA permette di risparmiare tempo e soldi in termini di personale e spese di spedizione sia per il cliente che per il produttore.

Costruzione delle TBM:

Le parti della macchina, incluse la testa rotante, lo scudo telescopico e tutto il sistema di backup, sono state assemblate in una zona detta "culla".Le TBM assemblate hanno poi scavato fino all'entrata effettiva del tunnel, mettendosi in posizione per iniziare i veri e propri scavi.

Installazione

TBM 1: Le due TBM sono state installate alle due estremita` del Tunnel. La prima delle due macchine (outlet) e` stata installata nel Marzo 2008.

TBM 2: La seconda macchina (inlet) e` stata installata nell'Ottobre del 2009.

Ritardi: L'inizio delle operazioni hanno subito un ritardo a causa dei monsoni che hanno allagato l'area e molti componenti della TBM 2 sono stati sostituiti per poterla rimettere in sesto ed iniziare con le operazioni di scavo.

Entrambe le macchine sono state assemblate in loco usando il processo di costruzione OFTA (Onsite First Time Assembly).

Progetto Alimineti Madhava Reddy (AMR)Dettagli sull’OFTA


Foto dell’ingresso del tunnel Outlet. La TBM è al primissimo stadio di perforazione, la testa è interamente inserita all’interno del tunnel appena perforato.

Visione da distanza maggiore dell’ingresso del tunnel Outlet. La TBM si trova alla fase iniziale degli scavi. Notare i sistemi retrostanti alla testa.

Fotografia di uno dei capannoni del cantiere OFTA che ha ospitato la costruzione e l’assemblaggio di alcune delle componenti della TBM (Outlet). Attualmente la struttura funge da magazzino.

Le seguenti immagini mostrano alcune fasi del lavoro inziale di installazione e forniscono una panoramica su�ciente sul cantiere OFTA.

Progetto Alimineti Madhava Reddy (AMR)Immagini del sito di installazione e prime perforazioni


L’immagine mostra la faccia di perforazione della TBM. é possibile notare le frese metalliche (di colore nero) e la complessa struttura della superficie.E’ possibile notare anche i buchi presenti sulla faccia al fine di raccogliere i detriti generati dall’attrito, che verranno poi smaltiti dai sistemi sul retro del macchinario.Si nota inoltre la presenza dei tre scudi caratterizzanti questo tipo di macchina: lo scudo di presa (a protezione degli organi interni alla testa), lo scudo telescopico innestato tra gli altri due scudi (inner shield), ed infine lo scudo posteriore (o almeno la parte iniziale).

L’immagine seguente mostra una visione frontale della super�cie di perforazione della testa della TBM deputata agli scavi del tunnel Outlet.

Progetto Alimineti Madhava Reddy (AMR)Immagini della TBM per lo scavo del tunnel Outlet



Frese: Frese di tipo back-loading del diametro di 50.8 cm (20 in).

Motori: Motori di guida speciali creati ad-hoc.

Nastri di trasporto:

Un nastro trasportatore continuo.

Perforazione: Impianto di perforazione con sonde.

Back-up e sistemi di controllo

Nastro di trasporto:Il trasportatore continuo serve per trasferire gli scarti (le rocce tagliate) fuori dal tunnel in modo efficiente, senza aver bisogno di mezzi appositi. La profondita` e le condizioni geologiche del terreno hanno reso essenziale la presenza di impianti di perforazione aggiuntivi che sondano il terreno prima di procedere con l'escavazione.

Sensori e alimentazione:Le TBM sono provviste di sistemi di controllo in tempo reale che tengono sotto controllo un gran numero di variabili, ad esempio pressione e temperatura degli oli idraulici, amperaggio e potenza della testa rotante, pressione dei pistoni. Le TBM sono alimentate dalla rete elettrica nazionale a 33 kV; il sistema della TBM, pero`, e` predisposto per lavorare con sistemi elettrici a 22 kV/690 V/400 V, quindi l'energia e` trasformata prima dell’utilizzo.

Al �ne di ottenere delle prestazioni piu` elevate in termini di penetrazione, sicurezza e vita delle frese, in seguito all'analisi geologica della zona, entrambe le macchine sono state provviste di un certo equipaggiamento.

Progetto Alimineti Madhava Reddy (AMR)Equipaggiamento delle TBM


La testa rotante possiede delle caratteristiche importanti dal punto di vista del raggiungimento degli obiettivi di scavo, prendiamo in esame le proprietà più importanti.

#1 Rivestimento: La testa rotante e` rivestita con 67 frese di tipo back-loading con anelli deldiametro di 50.8 cm (20 in) su hub di 19 pollici.

#2 Frese: I dischi, piu` larghi dello standard, hanno sia vita piu` lunga che una resistenza a carichi superiore (32 tonnellate/fresa); cio` permette un'azione piu` efficace anche contro le rocce piu` dure.

#3 Movimenti: La testa rotante, inoltre, ha la possibilta` di effettuare movimenti sull'asse verticale, permettendo la perforazione fino a 10 cm fuori dal diametro dello scudo.

#1 Rotazione: La testa rotante e` roteata da un motore VFD (Variable Frequency Drive) della potenza di 12315 kW e spinta in avanti con una forza al massimo di 21000 kN.

#2 VFD: Un VFD (Variable Frequency Driver) e` un sistema per il controllo della velocita` di rotazione di un motore elettrico a corrente alternata, tramite la regolazione della frequenza della corrente che alimenta il motore stesso.

#3 VFD ad-hoc: Il motore VFD della testa rotante e` stato realizzato su misura per il progettoe permette di raggiurgere un numero di RPM superiore allo standard.

Progetto Alimineti Madhava Reddy (AMR)Dettagli della testa rotante


Le operazioni di escavazione seguono le procedure standard con qualche variazione a causa principalmente di situazioni geologiche particolari.

## Composizione rocciosa: La composizione della roccia ha reso necessaria la regolazione piu` stretta delle barre verticali (Grizzly Bars) per evitare che blocchi troppo grossi otturassero i canali di drenaggio delle rocce di scarto. Tali barre vengono posizionate dietro gli scudi, nella testa rotante.

## Barre orizontali: In alcune situazioni si e` rivelato necessario l'impiego di ulteriori sbarre orizzontali (Grill Bars). Tali barre, pero`, rallentano notevolmente le operazioni di escavazione, percio` vengono utilizzate solo se necessario.

## Martinetti idraulici: I martinetti idraulici laterali, applicando una forza contro le pareti del tunnel, agiscono contro la spinta proveniente dal fronte della TBM.

## Qualità della roccia: Sempre a causa delle condizioni del terreno e` stato reputato necessario fornire immediato supporto ad una roccia potenzialmente poco resistente; non e` infatti possibile garantire per la qualita` della roccia per circa i 2/3 della lunghezza del tunnel.

## Rivestimento: Al posto delle comuni reti di rivestimento, i quali richiedono molto piu` tempo per l'installazione, si e` deciso di impiegare dei rivestimenti ad anello. Dopo l'installazione segue una fase di rinforzo durante la quale vengono applicate ghiaia e stucco.

## Anelli di protezione: Ogni anello e` composto da segmenti spessi 30 cm, per un diametro totale di 9.2 m. L'applicazione dei segmenti viene effettuata sul retro dello scudo da appositiimpianti per ridurre la manodopera umana. Il segmento, quindi, viene installato direttamente contro la roccia al procedere della testa rotante.

Progetto Alimineti Madhava Reddy (AMR)Monalità operativa


Il progetto ha subito interferenze su molti fronti, il clima stesso ha inciso molto creando non pochi danni e rallentamenti all’intero progetto.

## Infrastruttura elettrica: Una delle prime cause di interruzione per i lavori e` stata dovuta alla mancanza di un'infrastruttura di rete elettrica stabile nella zona della prima TBM (outlet).Rischi di black-out: Soprattutto nel primo mese, blackout e cadute di tensione hanno causato bruschi spegnimenti della TBM. Per questo motivo e` stato necessario installare dei generatori diesel in loco. Tali generatori pero` vengono utilizzati solo per le emergenze, per compensare la mancanza di corrente. Una volta che la rete e` attiva nuovamente il generatore viene spento.Nastri di trasporto: Oltre che causare un potenziale danno alla TBM, la mancanza di energia elettrica intralcia le operazioni di escavazione. Non solo la TBM si spegne senza preavviso, ma anche il trasportatore continuo, alimentato da motori VFD, si ferma.

## Altri fattori: Se si pensa che tali problematiche hanno rallentato notevolmente i lavori durantel'inizio del progetto si consideri che la situazione non puo` di certo migliorare. In futuro la TBM si trovera` a 25 km o piu` di distanza dai generatori finche` si congiungera` con la TBM dall'altro lato del tunnel.

## Aggravanti: Nel 2010 la macchina e` entrata in uno stato operativo stabile. Ha scavato circa 5.9 km e avanza di circa 149 m a settimana. Le infiltrazioni di acqua, fino a 700 l/min dal fronte contribuiscono ad aggravare le condizioni. Anche le cinghie del trasportatore hanno subito danni a causa di rocce troppo aguzze ed e` stato necessario cambiarle.

Progetto Alimineti Madhava Reddy (AMR)Problematiche a�rontate


Operazioni di scavo della testa rotante: 41%

Attività delle frese: 14%

Breakdown della TBM: 12%

Operazioni di manutenzione: 15%

Esaminiamo, a titolo puramente informativo e per poter dare l’idea di come i progetti basati su TBM Boring evolvano, i valori utilizzazione delle componenti (misurati dall’ora di inizio all’ora di �ne) incentrati nella 40a settimana di scavo dall’inizio del progetto.

## Attività della testa: Non deve stupire che la testa rotante nell’arco di una settimana lavori più di tutte le altre componenti.

## Attività delle frese: Le frese possono venir attivate in fasi alterne o con velocità differenti a seconda dello stato della roccia. Per questo sono presenti valori di utilizzazione molto bassi.

## Breakdown: Come anticipato, la discontinuità dell’alimentazione elettrica ha causato, in quasi tutte le settimane, la presenza di molti breakdown.

Progetto Alimineti Madhava Reddy (AMR)Analisi avanzamento settimanale


Le principali sorgenti di informazione, utilizzate per stilare questo documento, sono state le seguenti:

## Wikipedia: www.wikipedia.org

## Robbins Company: www.robbinstbm.com

## Mitsubishi Heavy Industries Ltd: www.mhie.com

External references

tunnel boring machines

Technology