Una tunnel boring machine (TBM), nota anche come “talpa”, è una macchina utilizzata per scavare gallerie a sezione circolare attraverso una varietà di strati di terreno e roccia. Essi possono foro attraverso hard rock, sabbia, e quasi nulla in mezzo. I diametri del tunnel possono variare da un metro (fatto con micro-TBMs) a quasi 16 metri fino ad oggi. Tunnel di meno di un metro o giù di lì di diametro sono in genere fatto utilizzando metodi di costruzione trenchless o perforazione orizzontale direzionale piuttosto che TBMs.

Le alesatrici per tunnel sono utilizzate come alternativa ai metodi di perforazione e sabbiatura (D& B) nella roccia e nelle tradizionali “miniere a mano” nel suolo. I TBM hanno i vantaggi di limitare il disturbo al terreno circostante e produrre una parete del tunnel liscia. Ciò riduce significativamente il costo del rivestimento del tunnel e li rende adatti all’uso in aree fortemente urbanizzate. Lo svantaggio principale è il costo iniziale. I TBM sono costosi da costruire e possono essere difficili da trasportare. Tuttavia, man mano che i tunnel moderni diventano più lunghi, il costo delle alesatrici rispetto alla perforazione e allo scoppio è in realtà inferiore, perché il tunnelling con TBMs è molto più efficiente e si traduce in un progetto più breve.

Il più grande diametro TBM, a 15,43 m, è stato costruito da Herrenknecht AG per un recente progetto a Shanghai, in Cina. La macchina è stata costruita per forare terreno morbido tra cui sabbia e argilla. Il più grande diametro hard rock TBM, a 14.4 m, è stato prodotto dalla società Robbins per il progetto canadese Niagara Tunnel. La macchina è attualmente noioso un tunnel idroelettrico sotto Cascate del Niagara, la macchina è stata chiamata “Big Becky” in riferimento alle dighe idroelettriche Sir Adam Beck a cui è tunneling per fornire un ulteriore tunnel idroelettrico.

Hard rock TBMs

In hard rock, sia schermato o di tipo aperto TBMs può essere utilizzato. Tutti i tipi di TBM hard rock scavano la roccia utilizzando frese a disco montate nella testa di taglio. Le frese a disco creano fratture da stress compressivo nella roccia, facendola scheggiare dalla roccia davanti alla macchina, chiamata faccia del tunnel. La roccia scavata, nota come letame, viene trasferita attraverso le aperture nella testa di taglio a un nastro trasportatore, dove attraversa la macchina a un sistema di trasportatori o auto letame per la rimozione dal tunnel.

I TBM di tipo aperto non hanno scudo, lasciando l’area dietro la testa di taglio aperta per il supporto della roccia. Per avanzare, la macchina utilizza un sistema di presa che spinge contro le pareti laterali del tunnel. La macchina può essere guidata continuamente mentre le scarpe della pinza di presa spingono sulle pareti laterali per reagire alla spinta in avanti della macchina. Alla fine di una corsa, le gambe posteriori della macchina vengono abbassate, le pinze di presa e i cilindri di propulsione vengono retratti. La retrazione dei cilindri di propulsione riposiziona il gruppo pinza per il successivo ciclo di foratura. Le pinze sono estese, le gambe posteriori sollevate e la noia ricomincia. Il tipo aperto, o il fascio principale, TBM non installa i segmenti concreti dietro esso come altre macchine fanno. Invece, la roccia viene sostenuta utilizzando metodi di supporto al suolo come travi ad anello, bulloni di roccia, calcestruzzo, cinghie di acciaio e rete metallica (Stack, 1995).

Nella roccia fratturata, è possibile utilizzare TBM schermati di roccia dura, che erigono segmenti di calcestruzzo per supportare pareti instabili del tunnel dietro la macchina. I TBM a doppio scudo sono così chiamati perché hanno due modalità; in un terreno stabile possono aggrapparsi alle pareti del tunnel per avanzare in avanti. Nel terreno instabile e fratturato, la spinta viene spostata su cilindri di spinta che spingono contro i segmenti del tunnel dietro la macchina. Ciò mantiene le forze di spinta significative dall’impatto sulle pareti fragili del tunnel. I TBM a scudo singolo funzionano allo stesso modo, ma sono utilizzati solo in terreni fratturati, in quanto possono solo spingere contro i segmenti di cemento (Stack, 1995).

Soft ground TBMs

In soft ground, ci sono due tipi principali di TBMs: Earth Pressure Balance Machines (EPB) e Slurry Shield (SS). Entrambi i tipi di macchine funzionano come TBM a scudo singolo, utilizzando cilindri di spinta per avanzare in avanti spingendo contro segmenti di calcestruzzo. Le macchine di bilanciamento della pressione di terra sono utilizzate in terreni morbidi con meno di 7 bar di pressione. La testa di taglio non utilizza solo frese a disco, ma invece una combinazione di punte da taglio in carburo di tungsteno, frese a disco in carburo e/o frese a disco rigido. L’EPB prende il nome perché è in grado di reggere il terreno morbido mantenendo un equilibrio tra terra e pressione. L’operatore di TBM ed i sistemi automatizzati tengono il tasso di rimozione del suolo uguale al tasso di avanzamento a macchina. Pertanto, viene mantenuto un ambiente stabile. Inoltre, additivi come bentonite, polimeri e schiuma vengono iniettati nel terreno per stabilizzarlo ulteriormente.

In terreni morbidi con pressione dell’acqua molto elevata e grandi quantità di acqua di falda, sono necessari i TBM di protezione dei liquami. Queste macchine offrono un ambiente di lavoro completamente chiuso. I terreni sono mescolati con slurry di bentonite, che deve essere rimosso dal tunnel attraverso un sistema di tubi di slurry che escono dal tunnel. Per questo processo sono necessari grandi impianti di separazione dei liquami sulla superficie, che separano lo sporco dal liquame in modo che possa essere riciclato nel tunnel.

Mentre l’uso di TBMs allevia la necessità di un gran numero di lavoratori ad alte pressioni, un sistema a cassone è talvolta formata alla testa di taglio per liquami scudo TBMs. I lavoratori che entrano in questo spazio per l’ispezione, la manutenzione e la riparazione devono essere autorizzati dal medico come “idonei all’immersione” e addestrati al funzionamento delle serrature.

Sistemi di back-up
Dietro tutti i tipi di alesatrici per tunnel, all’interno della parte finita del tunnel, si trovano i ponti di supporto di trascinamento noti come sistema di back-up. I meccanismi di supporto situati sul back-up possono includere: trasportatori o altri sistemi per la rimozione del fango, condotte per liquami se applicabili, sale di controllo, impianti elettrici, rimozione della polvere, ventilazione e meccanismi per il trasporto di segmenti prefusi.

Tunnel urbano e tunnel vicino alla superficie
Il tunnel urbano ha la sfida speciale di richiedere che la superficie del terreno sia indisturbata. Ciò significa che la subsidenza del terreno deve essere evitata. Il metodo normale di fare questo in terra molle è di mantenere le pressioni del suolo durante e dopo la costruzione del tunnel. Vi sono alcune difficoltà nel fare questo, in particolare in vari strati (ad es., noioso attraverso una regione dove la parte superiore del fronte del tunnel è sabbia bagnata e la parte più bassa è roccia dura).

I TBM con controllo facciale positivo, come EPB e SS, vengono utilizzati in tali situazioni. Entrambi i tipi (EPB e SS) sono in grado di ridurre il rischio di cedimenti superficiali e vuoti se utilizzati correttamente e se le condizioni del terreno sono ben documentate.

Quando si esegue il tunnelling in ambienti urbani, nelle prime fasi di pianificazione devono essere affrontati altri tunnel, linee di servizio esistenti e fondazioni profonde. Il progetto deve prevedere misure atte a mitigare eventuali effetti dannosi per altre infrastrutture.

1 – Slurry Pressure Balance (SPB) TBM

Il principio di base di questo TBM è quello di mantenere la pressione frontale durante la fase di scavo riempiendo la camera di lavoro, situata dietro la testa di taglio, con slurry.

Vantaggi

• Consente il tunnelling di terreni morbidi, umidi o instabili con velocità e sicurezza non precedentemente possibili
• Adatto per terreni con elevate pressioni d’acqua (sotto la falda freatica)
• Limita l’insediamento del terreno e produce una parete liscia del tunnel. Ciò riduce significativamente il costo del rivestimento del tunnel e lo rende adatto all’uso in aree fortemente urbanizzate.

Svantaggi

• Lo svantaggio principale è il costo iniziale del capitale. I TBM sono costosi da costruire, difficili da trasportare, richiedono notevoli sistemi di backup e potenza.
• L’azionamento può essere ostacolato da grandi pietre e massi

Caratteristiche principali

• Rivestimento del tunnel – Segmenti di calcestruzzo prefabbricato
• Prestazioni tipiche – da 5m a 30m al giorno. Le prestazioni e i costi effettivi dipenderanno dalle condizioni del terreno e dal diametro del tunnel.

2- Equilibrio di pressione di terra (EPB) TBM

Si tratta di un metodo di tunnelling meccanizzato in cui il bottino è ammesso nella macchina di perforazione del tunnel (TBM) tramite una disposizione del trasportatore a coclea che consente alla pressione alla faccia del TBM di rimanere bilanciata senza l’uso di liquami.

Vantaggi

• Consente il tunnelling di terreni morbidi, umidi o instabili con una velocità e una sicurezza non precedentemente possibili
• Limita l’insediamento del terreno e produce una parete del tunnel liscia. Ciò riduce significativamente il costo del rivestimento del tunnel e lo rende adatto all’uso in aree fortemente urbanizzate

Svantaggi
Il principale svantaggio è il costo iniziale del capitale. I TBM sono costosi da costruire, difficili da trasportare, richiedono notevoli sistemi di backup e potenza.

Caratteristiche principali

• Rivestimento tunnel – Segmenti prefabbricati in calcestruzzo.
• Prestazioni tipiche-9m a 35m al giorno. Le prestazioni e i costi effettivi dipenderanno dalle condizioni del terreno e dal diametro del tunnel.

3- Hard Rock TBM

Questo metodo prevede l’utilizzo di una macchina Tunnelling con uno scudo e testa di taglio adatto per hard rock.

Vantaggi
Offrono un mezzo continuo e controllato di tunnelling capace di alti tassi di avanzamento in condizioni favorevoli.

Svantaggi

• Lo svantaggio principale è il costo iniziale del capitale. I TBM sono costosi da costruire, difficili da trasportare, richiedono notevoli sistemi di backup e potenza.
• La loro applicabilità è limitata alle gallerie lunghe in cui gli alti tassi di avanzamento e qualità delle gallerie possono compensare il loro elevato costo di capitale.

Caratteristiche principali

• Rivestimento tunnel – Segmenti di calcestruzzo prefabbricato / Calcestruzzo spruzzato / Nessun rivestimento
• Prestazioni tipiche – da 12m a 67m al giorno. Le prestazioni e i costi effettivi dipenderanno dalle condizioni del terreno e dal diametro del tunnel.

Fasi di costruzione della TBM