Qui negli Stati Uniti eravamo soliti riferirci allo scavo di tunnel con perforazione ed esplosione come tunneling “convenzionale”, che immagino lasci il tunneling con TBM o altri mezzi meccanizzati essere definito “non convenzionale”.Tuttavia, con l’evoluzione della tecnologia delle TBM diventa sempre più raro eseguire lo scavo mediante perforazione ed esplosione e come tale potremmo pensare di invertire l’espressione e iniziare a riferirci allo scavo mediante perforazione ed esplosione come “non convenzionale” "tunneling.
Il tunneling mediante perforazione ed esplosione è ancora il metodo più comune nel settore minerario sotterraneo, mentre il tunneling per progetti infrastrutturali sta diventando sempre più il tunneling meccanizzato mediante TBM o altri metodi.Tuttavia, in gallerie corte, per sezioni trasversali di grandi dimensioni, costruzione di caverne, incroci, passaggi trasversali, pozzi, condotte forzate, ecc., Drill and Blast è spesso l'unico metodo possibile.Con Drill and Blast abbiamo anche la possibilità di essere più flessibili nell'adottare profili variabili rispetto a un tunnel TBM che fornisce sempre una sezione trasversale circolare, soprattutto per i tunnel autostradali, risultando con molto scavo eccessivo rispetto alla sezione trasversale effettiva necessaria.
Nei paesi nordici, dove la formazione geologica delle costruzioni sotterranee è spesso in solido granito duro e gneiss, che si presta all'estrazione mediante perforazione ed esplosione in modo molto efficiente ed economico.Ad esempio, il sistema metropolitano di Stoccolma è tipicamente costituito da una superficie di roccia esposta costruita utilizzando Drill and Blast e spruzzata con calcestruzzo spruzzato come rivestimento finale senza alcun rivestimento gettato in opera.
Attualmente è in costruzione il progetto di AECOM, la tangenziale di Stoccolma che consiste di 21 km (13 miglia) di autostrada di cui 18 km (11 miglia) sotterranei sotto l'arcipelago occidentale di Stoccolma, vedere Fig. 1. Questi tunnel hanno sezioni trasversali variabili, per ospitare tre corsie in ciascuna direzione e si stanno costruendo rampe di accesso e uscita che si collegano alla superficie utilizzando la tecnica Drill and Blast.Questo tipo di progetti è ancora competitivo come Drill and Blast a causa della buona geologia e della necessità di una sezione trasversale variabile per soddisfare i requisiti di spazio.Per questo progetto sono state sviluppate diverse rampe di accesso per dividere i lunghi tunnel principali in più sezioni, riducendo così il tempo complessivo di scavo del tunnel.Il supporto iniziale del tunnel è costituito da bulloni da roccia e calcestruzzo proiettato da 4 pollici e il rivestimento finale è costituito da membrana impermeabilizzante e calcestruzzo proiettato da 4 pollici sospeso da bulloni distanziati di circa 4 x 4 piedi, installato a 1 piede dalla superficie rocciosa rivestita di calcestruzzo proiettato, funge da barriera contro l'acqua e il gelo isolamento.
La Norvegia è ancora più estrema quando si tratta di scavare tunnel con Drill and Blast e nel corso degli anni ha perfezionato i metodi Drill and Blast alla perfezione.Con la topografia molto montuosa della Norvegia e i fiordi molto lunghi che tagliano il terreno, la necessità di tunnel sotto i fiordi sia per l'autostrada che per la ferrovia è di grande importanza e può ridurre considerevolmente i tempi di viaggio.La Norvegia ha più di 1000 tunnel stradali, il numero più alto al mondo.Inoltre, la Norvegia è anche sede di innumerevoli centrali idroelettriche con tunnel e pozzi forzati costruiti da Drill and Blast.Durante il periodo dal 2015 al 2018, nella sola Norvegia, ci sono stati circa 5,5 milioni di anni fa di scavi rocciosi sotterranei da parte di Drill and Blast.I paesi nordici hanno perfezionato la tecnica del Drill and Blast e ne hanno esplorato le tecnologie e lo stato dell'arte in tutto il mondo.Inoltre, nell'Europa centrale, soprattutto nei paesi alpini, il metodo Drill and Blast è ancora un metodo competitivo nello scavo di tunnel, nonostante la lunga lunghezza dei tunnel.La differenza principale rispetto ai tunnel nordici è che la maggior parte dei tunnel alpini ha un rivestimento finale in calcestruzzo gettato in opera.
Nel nord-est degli Stati Uniti e nelle regioni delle Montagne Rocciose ci sono condizioni simili a quelle dei paesi nordici con roccia dura e competente che consente l'uso economico di Drill and Blast.Alcuni esempi includono la metropolitana di New York City, l'Eisenhower Tunnel in Colorado e il Mt McDonald Tunnel nelle Montagne Rocciose canadesi
Recenti progetti di trasporto a New York, come la metropolitana della Second Avenue recentemente completata o il progetto East Side Access, hanno avuto una combinazione di tunnel minerari con TBM con Station Caverns e altri spazi ausiliari realizzati da Drill and Blast.
L'uso dei trapano Jumbo si è evoluto nel corso degli anni dai primitivi trapani manuali o Jumbo a braccio singolo ai Jumbo a braccio multiplo autoperforanti computerizzati in cui gli schemi di perforazione vengono inseriti nel computer di bordo consentendo una perforazione rapida e ad alta precisione a un pre -impostare lo schema di foratura calcolato con precisione.(vedi Fig. 2)
I jumbo di perforazione avanzati sono disponibili in versione completamente automatizzata o semiautomatica;nel primo caso, dopo aver completato il foro, il trapano ritorna sulla sua strada, si porta automaticamente nella posizione del foro successivo e inizia a forare senza necessità di posizionamento da parte dell'operatore;per le barre semiautomatiche l'operatore sposta la perforatrice da un foro all'altro.Ciò consente a un solo operatore di gestire in modo efficace perforatrici jumbo con un massimo di tre bracci utilizzando il computer di bordo.(vedi Fig. 3)
Con lo sviluppo di perforatrici da roccia da 18, 22, 30 e fino a 40 kW di potenza d'impatto e perforatrici ad alta frequenza con alimentatori che supportano aste drifter fino a 20' e l'uso del sistema automatico di aggiunta aste (RAS), l'avanzamento e la velocità La velocità di perforazione è notevolmente migliorata con velocità di avanzamento effettive fino a 18' per giro e affondamento del foro tra 8 e 12 piedi/min a seconda del tipo di roccia e della perforatrice utilizzata.Un jumbo di perforazione automatizzato a 3 bracci può perforare 800 – 1200 piedi/ora con aste Drifter da 20 piedi.L'uso di aste drifter da 20 FT richiede una certa dimensione minima del tunnel (circa 25 FT) per consentire la perforazione di chiodi da roccia perpendicolarmente all'asse del tunnel utilizzando la stessa attrezzatura.
Uno sviluppo recente è l'uso di jumbo multifunzione sospesi alla corona del tunnel che consentono a più funzioni di procedere simultaneamente, come la perforazione e lo smarino.Il jumbo può essere utilizzato anche per l'installazione di tralicci e calcestruzzo spruzzato.Questo approccio si sovrappone alle operazioni sequenziali nel tunneling con conseguente risparmio di tempo sul programma.Vedere la figura 4.
L'uso di emulsione sfusa per caricare i fori da un camion di ricarica separato, quando il trapano jumbo viene utilizzato per più direzioni, o come caratteristica incorporata nel trapano jumbo quando viene scavata una singola direzione, sta diventando più comune a meno che ci sono restrizioni locali per questa applicazione.Questo metodo è comunemente utilizzato in varie aree del mondo, con due o tre fori che possono essere caricati contemporaneamente;la concentrazione dell'emulsione può essere regolata a seconda dei fori da caricare.I fori tagliati e i fori inferiori vengono normalmente caricati con una concentrazione del 100%, mentre i fori di contorno vengono caricati con una concentrazione molto più leggera, pari a circa il 25%.(vedi Figura 5)
L'uso dell'emulsione sfusa necessita di un booster sotto forma di un bastoncino di esplosivo confezionato (primer) che insieme al detonatore viene inserito sul fondo dei fori ed è necessario per accendere l'emulsione sfusa che viene pompata nel foro.L'uso dell'emulsione sfusa riduce il tempo di ricarica complessivo rispetto alle cartucce tradizionali, dove è possibile caricare 80 - 100 fori/ora da un camion di ricarica dotato di due pompe di ricarica e cestelli per una o due persone per raggiungere la sezione trasversale completa.Vedere la figura 6
L'uso di pale gommate e camion è ancora il modo più comune per eseguire lo smarino in combinazione con Drill and Blast per tunnel con accesso alla superficie.Nel caso di accesso tramite pozzi, il letame verrà trasportato principalmente tramite pala gommata al pozzo dove verrà sollevato in superficie per un ulteriore trasporto all'area di smaltimento finale.
Tuttavia, l'uso di un frantumatore sul fronte del tunnel per frantumare i pezzi di roccia più grandi per consentirne il trasferimento con un nastro trasportatore per portare il letame in superficie è un'altra innovazione sviluppata in Europa centrale, spesso per i lunghi tunnel attraverso le Alpi.Questo metodo riduce notevolmente il tempo necessario per lo smarino, soprattutto per i tunnel lunghi ed elimina i camion nel tunnel, il che a sua volta migliora l'ambiente di lavoro e riduce la capacità di ventilazione necessaria.Inoltre, libera l'arco rovescio del tunnel per le opere in calcestruzzo.Ha un ulteriore vantaggio se la roccia è di qualità tale da poter essere utilizzata per la produzione di aggregati.In questo caso la roccia frantumata può essere lavorata in minima parte per altri usi benefici come aggregati di calcestruzzo, zavorra ferroviaria o pavimentazione.Per ridurre il tempo che intercorre tra l'esplosione e l'applicazione del calcestruzzo proiettato, nei casi in cui il tempo di stand-up può essere un problema, lo strato iniziale di calcestruzzo proiettato può essere applicato sul tetto prima che venga eseguita la rimozione dello smarino.
Quando si scavano grandi sezioni trasversali in combinazione con cattive condizioni della roccia, il metodo Drill and Blast ci dà la possibilità di dividere la facciata in più intestazioni e applicare il metodo Sequential Excavation Method (SEM) per lo scavo.Una rotta pilota centrale seguita da derive laterali sfalsate viene spesso utilizzata nel SEM nello scavo di tunnel, come si può vedere nella Fig. 7 per lo scavo della testata superiore della stazione della 86th Street nel progetto della metropolitana di Second Avenue a New York.La testata superiore è stata scavata in tre cumuli, quindi è stata seguita da due scavi in panchina per completare la sezione trasversale della caverna larga 60 piedi e alta 50 piedi.
Per ridurre al minimo l'intrusione di acqua nel tunnel durante lo scavo, viene spesso utilizzata l'iniezione pre-scavo.L'iniezione pre-scavo della roccia è obbligatoria in Scandinavia per far fronte ai requisiti ambientali riguardanti le perdite d'acqua nel tunnel al fine di ridurre al minimo l'impatto della costruzione sul regime dell'acqua in superficie o in prossimità.L'iniezione pre-scavo può essere effettuata per l'intero tunnel o per alcune aree in cui le condizioni della roccia e il regime delle acque sotterranee richiedono l'iniezione per ridurre l'intrusione di acqua a una quantità gestibile, come nelle zone di faglia o di taglio.Nell'iniezione selettiva prescavo vengono praticati 4-6 fori sonda e, a seconda dell'acqua misurata dai fori sonda in relazione all'innesco stabilito per l'iniezione, l'iniezione verrà effettuata utilizzando malte cementizie o chimiche.
Normalmente un ventilatore per l'iniezione pre-scavo è costituito da 15-40 fori (lunghi 70-80 piedi) praticati davanti alla facciata e stuccati prima dello scavo.Il numero di fori dipende dalle dimensioni del tunnel e dalla quantità d'acqua prevista.Lo scavo viene quindi eseguito lasciando una zona di sicurezza di 15-20 piedi oltre l'ultimo giro quando viene eseguito il sondaggio successivo e la cementazione pre-scavo.L'utilizzo del sistema automatico di aggiunta barre (RAS), menzionato sopra, rende semplice e veloce la perforazione della sonda e la cementazione dei fori con una capacità compresa tra 300 e 400 piedi/ora.Il requisito dell'iniezione pre-scavo è più fattibile e affidabile quando si utilizza il metodo Drill and Blast rispetto all'utilizzo di una TBM
La sicurezza nello scavo di tunnel con perforazione ed esplosione è sempre stata una delle principali preoccupazioni e richiede disposizioni speciali di misure di sicurezza.Oltre ai tradizionali problemi di sicurezza nello scavo di gallerie, nella costruzione mediante perforazione ed esplosione, i rischi sul fronte, tra cui perforazione, caricamento, ridimensionamento, smarino, ecc., aggiungono ulteriori rischi per la sicurezza che devono essere affrontati e pianificati.Con il progresso delle tecnologie nelle tecniche Drill and Blast e l’applicazione dell’approccio di mitigazione del rischio agli aspetti di sicurezza, la sicurezza nello scavo di gallerie è notevolmente migliorata negli ultimi anni.Ad esempio, con l’uso della perforazione jumbo automatizzata con lo schema di foratura caricato sul computer di bordo, non è necessario che nessuno si trovi davanti alla cabina jumbo di perforazione, riducendo così la potenziale esposizione dei lavoratori a potenziali pericoli e aumentando così la loro sicurezza.
La migliore caratteristica relativa alla sicurezza è probabilmente il sistema automatico di aggiunta aste (RAS).Con questo sistema, utilizzato principalmente per la perforazione di fori lunghi in connessione con la cementazione pre-scavo e la perforazione di fori per sonda;la perforazione dell'estensione può essere eseguita in modo completamente automatizzato dalla cabina dell'operatore e come tale elimina il rischio di lesioni (in particolare lesioni alle mani);altrimenti l'aggiunta delle aste veniva eseguita manualmente con i lavoratori esposti a infortuni durante l'aggiunta manuale delle aste.Vale la pena notare che la Norwegian Tunnelling Society (NNF) ha pubblicato nel 2018 la sua pubblicazione n. 27 intitolata “Safety in Norwegian Drill and Blast Tunnelling”.La pubblicazione affronta in modo sistematico le misure relative alla gestione della salute, della sicurezza e dell'ambiente durante lo scavo di gallerie utilizzando metodi Drill and Blast e fornisce le migliori pratiche per i datori di lavoro, i caposquadra e i lavoratori edili del tunnel.La pubblicazione riflette lo stato dell'arte in materia di sicurezza delle costruzioni Drill and Blast ed è scaricabile gratuitamente dal sito web della Norwegian Tunneling Society: http://tunnel.no/publikasjoner/engelske-publikasjoner/
Drill and Blast utilizzati nel giusto concetto, anche per gallerie lunghe, con la possibilità di suddividere la lunghezza in numerose intestazioni, possono comunque rappresentare una valida alternativa.Recentemente sono stati compiuti progressi significativi nelle apparecchiature e nei materiali, con conseguente maggiore sicurezza e maggiore efficienza.Sebbene lo scavo meccanizzato con TBM sia spesso più favorevole per gallerie lunghe con sezione trasversale costante, tuttavia nel caso in cui si verifichi un guasto alla TBM con conseguente lunga sosta, l'intero tunnel si ferma mentre nelle operazioni di perforazione e esplosione con più direzioni lo scavo la costruzione può ancora avanzare anche se una voce incontra problemi tecnici.
Lars Jennemyr è un ingegnere esperto nella costruzione di tunnel presso l'ufficio AECOM di New York.Ha una lunga esperienza in progetti sotterranei e di tunnel in tutto il mondo, tra cui il Sud-est asiatico, il Sud America, l'Africa, il Canada e gli Stati Uniti in progetti di transito, acqua e energia idroelettrica.Ha una vasta esperienza nel tunneling convenzionale e meccanizzato.La sua competenza specifica comprende la costruzione di tunnel di roccia, la costruibilità e la pianificazione della costruzione.Tra i suoi progetti ricordiamo: la Second Avenue Subway, 86th St. Station a New York;l'estensione della linea metropolitana n. 7 a New York;il connettore regionale e l'estensione della linea viola a Los Angeles;Citytunnel a Malmö, Svezia;il progetto idroelettrico Kukule Ganga, Sri Lanka;Progetto idroelettrico di Uri in India;e il programma strategico sulle acque reflue di Hong Kong.
Orario di pubblicazione: 01 maggio 2020