Tunnel Boring Machines

Una TBM chiamata Barbara

Aperturadi Luca Masaracchio

Il nome della protettrice dei minatori per una TBM al lavoro per la prima volta in Sicilia. La nostra visita esclusiva in cantiere.

Siamo in Sicilia, nel cantiere dove si sta ammodernando e adeguando la Strada Statale 640 “di Porto Empedocle”. Il nostro interesse si è rivolto a una mastodontica Tunnel Boring Machine costruita dalla casa francese NFM Technologies (NHI Group) impiegata nel secondo Maxilotto, per lo scavo della galleria a doppia canna denominata Caltanissetta che attraverserà,  a partire da   contrada Bigini, la collina Sant’Elia, una delle tre in cui si sviluppa la città.

E’ la prima volta in assoluto che in Sicilia viene utilizzata una TBM per scavare una galleria stradale al posto dei tradizionali sistemi con mezzi meccanici e/o esplosivi; questa scelta tecnica permetterà la realizzazione delle due gallerie in maniera completamente automatizzata. La scelta è stata operata dallo staff tecnico della CMC sulla scorta di una pluriennale esperienza acquisita in numerosi cantieri che hanno confermato la bontà tecnica di operare tramite TBM, creando a tal fine un gruppo interno all’azienda di personale altamente specializzato nell’operare con questa tipologia di macchinario.

Il trasporto e il montaggio

TestoPoche grandi case producono le TBM dette anche frese meccaniche a sezione piena per scavi di grandi dimensioni, un mercato molto di nicchia in cui i principali produttori sono la tedesca Herrenknecht, le francesi CSM Bessac e NFM  e la statunitense Robbins Company.

Le caratteristiche fondamentali cui bisogna guardare prima dell’acquisto di un’attrezzatura del genere sono il diametro di scavo oltre alla natura ed alla composizione geologico-meccanica dei terreni da perforare, quelli nisseni sono prevalentemente argille brecciate e trubi, questi ultimi di due tipi: materiali argillosi-marnosi al 90% e materiali litoidi-rocciosi per il rimanente 10% (calcari fratturati con significativi attraversamenti di acque), che hanno indotto lo staff tecnico a rivolgersi alla NFM per la progettazione, realizzazione ed assemblaggio in cantiere del complesso macchinario.

I giganteschi componenti della TBM, prodotti negli stabilimenti francesi di Lione sono stati imbarcati su chiatte fino a Marsiglia quindi su nave fino a Porto Empedocle, nell’agrigentino, da qui per il trasporto dei pezzi fino all’area dei lavori, sono stati organizzati una serie di trasporti eccezionali, percorrendo sia la parte ammodernata che la vecchia statale 640 ove è stato necessario ricollaudare ponti e viadotti posti nell’itinerario di viaggio, e scarificate alcune gallerie per abbassare il livello stradale e far transitare agevolmente i convogli.

Le operazioni di montaggio della complessa attrezzatura sono state ultimate in circa 6 mesi, ne vengono stimati alcuni in meno per lo smontaggio ed il rimontaggio in preparazione dello scavo della seconda canna. Un possente carroponte della Cimolai da 340 tonnellate (4 tiri da 85 tonnellate), alto 25 metri e largo 21 è stato e rimarrà al servizio per le fasi di montaggio/smontaggio ed ausilio alla TBM che dopo aver ultimato la prima canna, verrà smontata, riportata indietro attraverso la medesima, e rimontata a fianco per iniziare lo scavo della canna gemella.

Il 4 dicembre 2013 giornata in cui tradizionalmente si festeggia Santa Barbara, protettrice dei minatori, nel corso di una solenne cerimonia con la celebrazione della santa messa  alla TBM è stato imposto il nome di Barbara : inizia qui la fase di montaggio, quella dello scudo meccanizzato e dell’entrata in pieno esercizio.

 

Lo scavo della galleria

testo 2Nel grande piazzale a servizio della TBM ci aspetta il dott. Massimo Mariano, Geologo e Responsabile del Servizio di Prevenzione e Protezione (RSPP) che ci accompagnerà nella visita al cantiere.  E’ straordinaria la sensazione all’ingresso della costruenda galleria “Caltanissetta” un tubo perfettamente tondo, le pareti formate da tanti anelli contigui come un grande puzzle, solo che invece delle tessere ci sono i conci; un display luminoso posto all’ingresso segnala le unità di personale presente in galleria, ogni unità lavorativa è dotata di un transponder che segnala alla centralina entrata ed uscita, anche col nostro ingresso il valore si incrementa; percorriamo in  auto il tunnel spingendoci ben oltre la metà, osservando gli operai intenti a fare gli ultimi ritocchi della fase di lavorazione; seguendo con lo sguardo il grande condotto giallo della ventilazione forzata una cattedrale bianca con tante luci e tre piani si staglia imponente: siamo al cospetto della TBM Barbara.

passarellaLateralmente in posizione sopraelevata un lunghissimo nastro trasportatore  porta fuori il materiale di smarino, mentre al di sotto un fascio di tubi di medie dimensioni “alimentano” la fresa.

Saliamo a bordo macchina, in un momento di fermo per l’ordinaria manutenzione, la TBM ha uno sviluppo in lunghezza di 115 m, su quattro carri di tre piani, collegati tramite possenti pistoni, la macchina si muove sui conci posizionati precedentemente tramite delle rotelle che scorrono al di sopra dei posati.

Ogni carro è stato nominato con delle sigle, rispettivamente CB, R1, R2, R3, R4 ciascuno dei quali ha delle peculiarità ben definite, vediamo nel dettaglio come sono strutturati i servizi e gli impianti allocati in ognuno di essi.

La testa rotante e fresante è la parte meccanica della TBM che deve affrontare lo scavo con sollecitazioni e spinte inimmaginabili, al fine di svolgere al meglio il suo compito è stata progettata e realizzata con leghe metalliche di grande resistenza, nello specifico per operare in questo sito vi sono stati allocati gli utensili di scavo: 75 rippers, 532 scrapers, 32 buckets e 16 utensili di protezione posteriore i quali ruotano in maniera solidale contro il fronte di scavo.

MotoriAll’interno della testa rotante c’è la camera di scavo, larga 1,5 mt, in cui viene raccolto il materiale di smarino che si deposita in camera già miscelato assieme ad una schiuma biodegradabile ad hoc realizzata in collaborazione con il Politecnico di Torino, tutto il materiale così omogeneizzato, è privo di polvere, non ha la collosità delle argille minimizzando il rischio di intasamento permettendo altresì di estrarre attraverso la coclea la stessa quantità di materiale scavato.

L’estrattore a coclea (vite senza fine) del diametro di 140 cm, con 17 spire al suo interno ed con una capacità di prelevamento di oltre 1600 mc/ora, raccoglie il materiale di risulta accumulatosi sul fondo della camera di scavo, convogliandolo verso l’alto e riversandolo sopra un nastro trasportatore, il primo di un complesso sistema di nastri appunto, che attraversando la macchina e la parete di galleria ultimata, lo porta al di fuori del tunnel convogliandolo all’interno di un’ampia vasca sul piazzale.

Il piano di utilizzo delle terre e rocce di scavo prevede il loro riutilizzo per la riprofilatura geo-morfologica di alcuni siti individuati nel comprensorio nisseno, in prevalenza siti di cave dismesse, mentre una parte verrà riutilizzata in loco previa stabilizzazione con calce, da impiegare per il rilevato della canna gemella.

La macchina ha tre fasi di lavoro oltre all’approvvigionamento dei conci prefabbricati e di tutti i materiali di consumo (grassi, olii ecc.):

  1. Scavo di 2 m mediante la rotazione della testa fresante;
  2. Posa dei conci prefabbricati fino al completamento dell’anello di rivestimento definitivo;
  3. Retro iniezione in corrispondenza dell’anello posato mediante riempimento dei 12 cm di vuoto anulare compreso tra l’estradosso dei conci e il terreno;

testo 2La TBM ha anche un’altra caratteristica decisiva per affrontare la collina: è una EPB (Earth Pressure Balanced) che si autoequilibra con lo stesso materiale di scavo mantenuto in pressione sul fronte, permette l’effettuazione dello scavo in sovrapressione, controbilanciando la pressione litostatica ed idrostatica relativa al materiale scavato al momento della visita per mantenere il fronte di scavo in pendio, la camera di scavo lavora in “pressione” sui 3 bar (mentre è di 6 bar la pressione di funzionamento massima consentita), nel caso in cui il personale addetto ha necessità di entrare nella camera di scavo, deve far necessario ricorso alle due camere iperbariche – sinora mai utilizzate – poste sul coronamento, alle spalle della camera di scavo; l’accesso in camera di scavo è ammesso solo previo parere del medico e del tecnico iperbarico, inoltre presso gli uffici di cantiere è stata allestita un’altra camera iperbarica di tipo terapeutico, pronta per ogni evenienza connessa alle malattie della decompressione; analogamente a quanto accade per i lavori in ambiente subacqueo viene osservata la normativa per la prevenzione degli infortuni e l’igiene del lavoro nei cassoni ad aria compressa (D.P.R 20 marzo 1956, n. 321) tenendo anche in considerazione le direttive in ambito sportivo riguardanti  le immersioni subacquee.

La macchina avanza come un gigantesco lombrico – alternando la fase di scavo con quella di montaggio conci – nello scavo i cilindri di spinta posizionati a cerchio su 17 gruppi, ciascuno dei quali con 3 martinetti idraulici a spinta sincronizzata comandata dalla cabina, in grado di generare una spinta nominale di 235620 kN, spingendosi sull’ultimo anello dei conci posizionato mandano in avanti il gruppo scudo/camera; quindi la fase di montaggio di un nuovo anello, e l’avanzamento in avanti dei carri.

I tempi operativi e la produttività

Testo 3Al cantiere della “Barbara” si lavora sempre, 24 ore al giorno per sette giorni su sette, 13-15 uomini sulla macchina ed altrettanti sul piazzale per un totale di 30 persone per ogni turno di 8 ore, ovvero 120 persone al giorno, le maestranze formate da tecnici iper-specializzati con competenze meccaniche ed elettroniche di primo livello, costituiscono un team ben affiatato, formato “multietnicamente” da italiani e stranieri.

Oggi per gli scavi con lunghezze oltre i due km è estremamente conveniente far ricorso ad una TBM, nel caso di questo cantiere, i tempi di scavo sono di 16-18 mt medi al giorno (2 mt = 1 anello di conci), come attestato per l’attraversamento al di sotto della zona urbanizzata, mentre si sono riusciti a toccare punte di 28-30 mt/giorno per le zone non urbanizzate, per contro utilizzando i sistemi tradizionali le performance quotidiane sarebbero state notevolmente inferiori: 1-3 mt di scavo con mezzi meccanici incrementabili fino ai 6-7 mt delle volate con esplosivo.

sinistraLa riduzione considerevole dei tempi di realizzazione – ha permesso al momento della nostra visita – di constatare come lo scavo della prima canna sia giunto oltre i ¾ dei 4 km totali, realizzati in 10 mesi. Inoltre non essendoci addetti ai lavori a diretto contatto con il fronte di scavo, si sono abbassati notevolmente i rischi di infortuni sul lavoro, rispetto a quelli dello scavo eseguito in maniera tradizionale, persistendo solo residuamente i  rischi di tipo industriale.

DestraL’investimento iniziale di 40 milioni di euro, complice anche l’attuale congiuntura economica, è alla portata di poche imprese aventi un’articolata struttura tecnico-economica in grado di poter acquistare e gestire proficuamente una simile attrezzatura, per il contratto di acquisto di “Barbara” è stato previsto a lavori di scavo ultimati, la rivendita alla società venditrice, in questi casi generalmente i carri posteriori (back-up) vengono rigenerati, cosa non possibile per lo scudo fresante vuoi per il logoramento dal lavoro e per i diametri di volta in volta diversi per le numerose tipologie di tunnel oggi realizzati, lo stesso viene dismesso ed avviato al recupero eco sostenibile.

Con un diametro di scavo pari a 15,08 mt (variante tecnica migliorativa), aumentato rispetto alle originarie previsioni progettuali esecutive Barbara è la seconda TBM più grande d’Europa in funzione, seconda solo a quella utilizzata per la galleria Sparvo della Variante di Valico (Autostrada A 1). Altre due frese del gruppo ravennate saranno presto all’opera nel cantiere della Metropolitana di Catania ove dovranno affrontare le insidiose rocce vulcaniche etnee.

La Strada Statale 640

Foto BOX 1La Strada Statale 640 “di Porto Empedocle” collega le città di Agrigento e Caltanissetta, dorsale strategica per la viabilità regionale di interesse nazionale, ha una triplice valenza: da un punto di vista funzionale, come asse stradale di penetrazione a servizio delle aree interne dell’isola, come itinerario di collegamento tra la Sicilia sud-occidentale ed il sistema viario principale dell’isola, costituito dai collegamenti autostradali: A19 “Palermo-Catania”, A20 “Messina-Palermo” ed A18 “Messina-Catania” oltre che per il traffico commerciale e turistico in quanto l’opera giunge nella celebre Valle dei Templi allacciandosi a valle della medesima anche alla statale 115 che congiunge Trapani a Siracusa. La statale attuale caratterizzata da un’unica carreggiata con una corsia per ogni senso di marcia per un totale di 10 metri di larghezza, verrà sostituita da una Strada Extraurbana Principale (tipo B del Codice della Strada): con due corsie per senso di marcia separate da spartitraffico invalicabile con una larghezza totale di 22 metri, banchina pavimentata a destra, priva di intersezioni a raso, con accessi alle proprietà laterali coordinati che ricalcherà in parte il tracciato preesistente; l’opera è stata suddivisa in 2 maxilotti appaltati tramite affidamento a Contraente Generale, per un investimento complessivo di circa 1,5 miliardi di euro.

 

La CMC ed il Consorzio Empedocle 2

BoxLa Cooperativa Muratori e Cementisti CMC fondata a Ravenna nel 1901, azienda leader nel settore delle costruzioni opera sia in Italia che all’estero, i suoi requisiti tecnico-organizzativi ed economico-finanziari e la vasta esperienza acquisita nella realizzazione di grandi opere, la collocano tra le prime dieci imprese italiane del settore. In ambito nazionale, la Cooperativa è presente nel settore delle grandi opere: lavori pubblici (grandi infrastrutture, edilizia pubblica, lavori portuali e marittimi, lavori ferroviari), nei lavori privati impegnata in entrambe ad assicurare presenza imprenditoriale e sociale. All’estero, opera da circa 30 anni, privilegiando alcune aree geografiche come Africa, Asia, e Stati Uniti d’America, realizzando lavori affini alle numerose specializzazioni acquisite. Per la realizzazione della SS 640 la C.M.C. ha costituito la Società Consortile Empedocle 2 S.C.p.A. – Contraente generale per l’opera, adottando un codice etico e sottoscrivendo un Protocollo di Legalità, con la Prefettura di Agrigento, la Prefettura di Caltanissetta, la Regione Siciliana e l’Anas spa.

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