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Il presente articolo esamina i vantaggi della tecnologia Herrenknecht per lo scavo meccanizzato di pozzi verticali e presenta una serie di riferimenti a livello globale relativi a numerosi progetti di tunnelling
Quasi tutti i progetti di tunnelling richiedono lo scavo di pozzi di spinta e di ricezione per le opere di galleria o per scopi di ispezione, ventilazione e soccorso. Attualmente si sta inoltre affermando la tendenza verso installazioni infrastrutturali a profondità sempre maggiori.
La Vertical Shaft Sinking Machine (VSM) è stata originariamente sviluppata da Herrenknecht per la costruzione meccanizzata di pozzi di spinta e di ricezione in profondità per il microtunnelling. Dopo aver avviato la progettazione e i test all'inizio del 2004, le prime apparecchiature VSM Herrenknecht sono entrate in funzione in Kuwait e Arabia Saudita nel 2006.
Il concetto della macchina, completamente controllata a distanza dalla superficie, nonché la sua implementazione in loco si è dimostrata fin da subito una soluzione efficace per la realizzazione rapida e sicura di pozzi, specialmente in ambienti difficili come centri urbani, senza abbassare la superficie delle falde acquifere. Ad oggi la tecnologia VSM Herrenknecht è stata impiegata con successo nella costruzione di circa 75 pozzi in tutto il mondo, a profondità che hanno toccato gli 85 m. Oggi, questi pozzi servono, ad esempio, per la ventilazione dei sistemi di metropolitane, per la manutenzione di utility come collettori per fognature o come pozzi posticci per il microtunnelling (Figura 1).
Benefici della tecnologia VSM
La tecnologia VSM affronta e risolve le principali sfide associate alla realizzazione di pozzi verticali: le strutture dei pozzi nei centri urbani richiedono condizioni di lavoro sicure per gli edifici circostanti e l'ambiente, in particolare per quanto riguarda il potenziale assestamento del terreno. In questi contesti è più marcata la necessità di evitare l'abbassamento della falda acquifera durante la costruzione dei pozzi per evitare il relativo assestamento, che può interessare una vasta area circostante.
Le aziende specializzate nella costruzione di pozzi profondi spesso incontrano condizioni geologiche difficili, come l'alta pressione delle acque sotterranee combinata con l'alternanza di strati di materiale duro e morbido. Inoltre, i pozzi profondi richiedono un'attenzione particolare per quanto riguarda la sicurezza del personale addetto ai lavori.
Benefici in termini di costi e tempi
La possibilità di svolgere contemporaneamente le operazioni di scavo e di costruzione degli anelli consente alte velocità di avanzamento e riduce la durata complessiva del progetto. Allo stesso tempo, prestazioni continue garantiscono un'elevata affidabilità di pianificazione generale per tutte le parti interessate.
Il rivestimento di un pozzo realizzato con una VSM è costituito da conci prefabbricati o calcestruzzo gettato in opera. Una volta completata l'installazione del rivestimento sulla superficie, è possibile realizzare un'installazione di elevata qualità, che consente di ottenere un pozzo con un più alto grado di precisione strutturale. Nella maggior parte dei casi non è necessario un rivestimento secondario, che richiederebbe ulteriore tempo di realizzazione; grazie alla stabilità del complesso dell'opera la conseguente riduzione dello spessore delle pareti del pozzo consente di scavare meno terreno.
Ciascun tipo di VSM, inoltre, è molto flessibile in quanto il diametro di scavo può essere regolato all'interno di uno specifico range. Una VSM10000, ad esempio, può gestire una gamma di diametri interni del pozzo da 5,5 m a 10 m e si configura quindi come un investimento una tantum da utilizzare per molteplici impieghi.
Benefici in termini di sicurezza delle costruzioni e del lavoro
Dal momento che le pressioni dell'acqua all'interno del pozzo vengono equilibrate con le pressioni dell'acqua di falda all'esterno del medesimo, si è in grado di impedire afflusso d'acqua, che altrimenti potrebbe causare il movimento del suolo e comportare un rischio elevato di assestamento. La VSM Herrenknecht può essere applicata sotto la falda acquifera con una pressione idrostatica fino a 10 bar e in terreni eterogenei e con rocce dure con resistenza alla compressione fino a 140 MPa. Tutte le installazioni, compreso il sollevamento del rivestimento, sono controllate a distanza dalla superficie. Non è consentita la presenza di personale nel pozzo fino a quando la struttura non abbia raggiunto la profondità finale e sia completamente ancorata. In generale, lo scavo meccanizzato di pozzi verticali richiede meno personale e macchinari in loco, il che riduce l'esposizione ai rischi di cantiere.
Benefici per l'ambiente
Non sono necessarie misure per l'abbassamento della falda acquifera, in quanto le macchine VSM sono progettate per il funzionamento in acque sotterranee. Poiché la tecnologia VSM si basa su un elevato grado di precisione nella costruzione del pozzo, lo spessore del relativo rivestimento può essere ridotto al minimo, riducendo così il volume di terreno scavato.
Componenti della macchina VSM
La VSM è costituita da due componenti principali (Figura 2): l'unità di scavo e la struttura di calaggio. L'unità di scavo fresa e scava sistematicamente il terreno ed è costituita da una testa fresante collegata ad un braccio telescopico che permette la realizzazione del sovrascavo. La struttura di calaggio collocata sulla superficie stabilizza l'intera struttura del pozzo limitandone gli eventuali effetti distorsivi e sostenendone il peso totale con trefoli d'acciaio e martinetti idraulici. Al termine di un ciclo di scavo, l'intero rivestimento può essere calato in modo uniforme e preciso.
Lo smarino del materiale di scavo avviene mediante una pompa a fanghi sommersa collocata sul braccio telescopico. La pompa convoglia il fluido composto di acqua e terreno attraverso una linea di fanghi verso un impianto di separazione in superficie. L'intera operazione viene controllata da remoto da un operatore posizionato nella cabina di controllo in superificie. Tutte le funzioni della macchina sono gestibili da remoto, senza la necessità di visualizzare il fondo del pozzo o la macchina. La VSM sommersa è alimentata da una struttura ombelicale di cavi elettrici e tubi idraulici. Dopo aver raggiunto la profondità finale, la VSM viene sollevata dal pozzo tramite gli argani di recupero e la gru del cantiere.
Preparazione del cantiere per la VSM
Pianta del cantiere
In funzione dello spazio disponibile in cantiere, i componenti della VSM possono essere posizionati in modo flessibile per adattarsi alle condizioni locali (Figura 3). Poiché la maggior parte dei cantieri si trova in aree urbane densamente edificate, l'accesso per la logistica, ad esempio passaggio camion, scorte di conci degli anelli o smaltimento terra, è limitato. Per ovviare a queste condizioni, esistono già soluzioni ad hoc per il trasferimento dei componenti, come l'impianto di separazione, per le quali è necessaria un'analisi caso per caso.
Fondazione circolare
Dopo la preparazione della superficie di cantiere, è necessario predisporre una fondazione circolare in calcestruzzo in una fossa pre-scavata. La fondazione sostiene i carichi della VSM e funge da supporto per la struttura di calaggio, che guida e sostiene il pozzo in continuo. Le dimensioni della fondazione dipendono dalle condizioni del terreno e dalle dimensioni del pozzo. Anche i bulloni di collegamento per i vari componenti della VSM, quali la struttura di calaggio, gli argani di recupero e la torre portacavi sono integrati nella fondazione circolare.
Anello "a becco di flauto"
Dopo l'esecuzione del pre-scavo e la fondazione circolare, si prosegue con l'installazione dell'anello "a becco di flauto" e dei primi anelli dei conci. L'anello "a becco di flauto" è progettato per scavare il profilo del pozzo in terreni soffici e sciolti. Il suo design dipende dal diametro del pozzo e dallo spessore della parete. Può essere integrato come primo anello del concio in calcestruzzo o saldato sul rivestimento del pozzo come anello d'acciaio separato.
Sezione iniziale e collegamento della macchina
I primi cinque metri del rivestimento del pozzo costituiscono la cosiddetta sezione iniziale. Tale sezione è provvista di un rinforzo in acciaio più solido per essere in grado di sopportare i carichi e le forze di reazione della macchina durante lo scavo e la costruzione del pozzo. Il rivestimento del pozzo è inoltre dotato di piastre in acciaio fuso, sulle quali sono saldate le staffe per i bracci della VSM. Poiché la VSM impiega una tecnica di scavo circolare tangenzialmente, la coppia non viene trasmessa alla struttura del pozzo.