Sir Adam Beck Additional Diversion Project

GALLERIA DI ABDALAJIS (Malaga- Spagna)
La sfida della nuova TBM Universale a Doppio Scudo
Remo Grandori – Presidente SELI
Paolo Romualdi – Responsabile dell’Ufficio Tecnico SELI
S.E.L.I. Società Esecuzione Lavori Idraulici S.p.A.,
Viale America 93, 00144 Roma, Italia
Abstract
Le nuove linee ferroviarie ad alta velocità in corso di esecuzione in Europa prevedono la realizzazione
di lunghissime gallerie di grande diametro che si sviluppano in ammassi rocciosi estremamente
variabili.
Le TBM monoscudo o a doppio scudo di tipo standard non sempre rappresentano una soluzione
ottimale per lo scavo di questo tipo di gallerie, soprattutto in previsione di condizioni rocciose avverse
con ammassi a elevata convergenza e/o cedimenti del fronte.
La galleria di Abdalajis è un galleria ferroviaria a doppia canna lunga 7,1 km e con un diametro di 10
m, localizzata sulla nuova linea ad alta velocità per il collegamento Malaga-Cordoba nella regione
meridionale della Spagna.
Nel presente articolo viene presa in esame lo scavo, mediante TBM, della Galleria Est di Abdalajis,
dove SELI è attivamente impegnata nella realizzazione come partner della Joint Venture DragadosTecsa-Seli-Jager. La Galleria Ovest di Abdalajis, che si sviluppa parallelamente alla Galleria Est, è
realizzata, mediante l'impiego delle medesime tecnologie, dalla società spagnola SACIR.
Per l'esecuzione della galleria è stato sviluppato un nuovo tipo di TBM, denominata TBM Universale a
doppio scudo (Double Shield Universal - DSU TBM) fabbricata da Mitsubishi.
La DSU TBM rappresenta un’evoluzione della TBM a doppio scudo ed è stata progettata per operare in
ammassi rocciosi a rapida ed elevata convergenza ed è in grado di trattare il terreno e di stabilizzare la
roccia davanti al fronte della galleria grazie alla combinazione di infilaggi e speciali iniezioni.
Gli ammassi rocciosi di argilliti attraversati per lunghi tratti di scavo sono risultati totalmente alterati e
fratturati, con elevate convergenze delle pareti dello scavo associate ad instabilità del fronte della
galleria e presenza di gas metano con pressioni fino a 11,5 bar.
L’articolo esamina anche le prestazioni della DSU TBM in condizioni estreme del terreno e valuta le
possibili migliorie da apportare a questo tipo di TBM per potenziarne la capacità nelle situazioni più
critiche.
1 – IL PROGETTO
La Galleria Est di Abdalajis è una delle due gallerie ferroviarie lunghe 7,1 km localizzate
sulla nuova linea ferroviaria ad alta velocità che collega Cordoba a Malaga. Il tracciato è
riportato nella Figura 1.
Ing. Remo Grandori / Ing. Paolo Romualdi
VERTICAL ALIGNMENT
450
400
808+130
350
START OF TUNNEL
END OF TUNNEL
801+077
TUNNEL LENGTH = 7+053
300
801+000
802+000
803+000
804+000
805+000
806+000
HORIZONTAL ALIGNMENT
R=7900 m
807+000
808+000
R=6955 m
Figura 1 – TRACCIATO DELLA GALLERIA
Il diametro di scavo è di 10 metri e il rivestimento è del tipo ad anelli trapezioidali
realizzati in conci prefabbricati spessi 45 cm (Figura 2) con un diametro interno definitivo
di 8,80 m. I conci adiacenti sono collegati con bulloni mentre gli anelli adiacenti con
connettori in plastica. Per sigillare i giunti tra i conci viene impiegato profilato EPDM. Lo
spazio vuoto tra i conci e la superficie della roccia viene riempito con ghiaietto;
successivamente il ghiaietto viene iniettato con una miscela cementizia a bassa
pressione.
Figura 2 – SEZIONE TIPO DELLA GALLERIA
Ing. Remo Grandori / Ing. Paolo Romualdi
2 – LA GEOLOGIA DELLA GALLERIA
La geologia della galleria di Abdalajis può essere suddivisa in due tratti:
• Il primo tratto (Figura 3) in formazioni argillose da scadenti e molto scadenti, della
lunghezza complessiva di circa 2 km
• Il secondo tratto in rocce sedimentarie di caratteristiche da scadenti a discrete e sotto
forti coperture
In questo articolo si esamina lo scavo del primo e più critico tratto caratterizzato dalle
seguenti formazioni:
• filladi e quarziti - Formacion Tonosa
• ardesie e arenarie – Formacion Morales
• conglomerati – Formacion Almogia
• argilliti - Arcillas Variegadas
Figura 3 – PRIMO TRATTO DELLA GALLERIA - GEOLOGIA
3 – IL PROGETTO DELLA DSU TBM
La concezione e le caratteristiche progettuali della DSU TBM sono descritte in dettaglio
nell’articolo “NEW DESIGN FOR A 10 M UNIVERSAL DOUBLE SHIELD TBM FOR LONG
RAILWAY TUNNELS IN CRITICAL AND VARYING ROCK CONDITIONS” pubblicato in
RETC 2003 Proceedings da Wolfgang Gutter e Paolo Romualdi. Questo tipo di TBM è
stato sviluppato per operare in condizioni rocciose avverse e in particolare in presenza di
ammassi rocciosi a elevata convergenza e di cedimenti del fronte, anche con grandi
diametri. La capacità della TBM di operare in tali avverse condizioni di scavo è un
elemento essenziale in caso di gallerie di grande diametro in presenza di formazioni
geologiche complesse, per i seguenti motivi:
Ing. Remo Grandori / Ing. Paolo Romualdi
•
•
gli effetti negativi delle avverse condizioni del terreno sono ridotti dalle maggiori
dimensioni della galleria
è pressoché impossibile eseguire attività di scavo manuali per liberare la TBM e/o
stabilizzare il terreno attorno e davanti alla macchina.
Le principali caratteristiche progettuali e operative della DSU TBM sono le seguenti:
Caratteristiche progettuali
• Lunghezza totale della TBM nella gamma di 11 m, ossia pari alla lunghezza di una
TBM monoscudo del medesimo diametro;
• Diametro dello scudo posteriore molto più ridotto rispetto allo scudo frontale per
consentire l’avanzamento della TBM anche in ammassi a elevata convergenza;
• Nuova progettazione dell'articolazione telescopica per eliminare il problema di
intasamento del giunto telescopico in terreni instabili;
• Dispositivi per sovrascavo controllato per aumentare lo spazio vuoto tra la roccia e i
conci in ammassi rocciosi a elevata convergenza.
Caratteristiche operative
• Capacità di avanzamento in modalità a doppio scudo anche in condizioni di terreno
avverse e instabili: considerata la maggiore frequenza di fenomeni di instabilità in
gallerie di grande diametro, tale caratteristica consente alla DSU TBM di avanzare
con il massimo della produttività in una gamma di condizioni del terreno più ampia;
• Capacità di trattare e stabilizzare il terreno davanti alla TBM mediante l’esecuzione di
infilaggi iniettati attorno all’intero tratto di galleria.
4 – LE PRESTAZIONI DELLA TBM NEI PRIMI TRATTI DI 2 KM IN FORMAZIONI
ROCCIOSE DEBOLI
Dopo un periodo iniziale di curva di apprendimento, la TBM ha iniziato ad avanzare a una
maggiore velocità con una produttività giornaliera di oltre 20 m e picchi massimi di 34 m.
Tale avanzamento è stato osservato nonostante l’esistenza di formazioni di argilliti in
pessime condizioni, presenti fin dall’inizio dello scavo della galleria.
Le avverse condizioni delle formazioni di argilliti riscontrate nel primo tratto della galleria
hanno, tuttavia, in prossimità della progressiva 1600, avuto un impatto negativo sulle
prestazioni della TBM.
La Figura 4 mostra l’avanzamento della perforazione e le difficoltà geologiche riscontrate
nel primo tratto di scavo.
Malgrado le critiche condizioni geologiche tuttavia la TBM è stata sempre in grado di
avanzare senza dover ricorrere all’esecuzione by pass o altri interventi in tradizionale.
Nel tratto successivo in roccia di caratteristiche migliori la TBM ha ottenuto avanzamenti
dell’ordine dei 25 metri giorno medi con punte di 40 metri.
Ing. Remo Grandori / Ing. Paolo Romualdi
"Slickenside"; ground highly fractured / tectonisized;
collapsing face;
micropiling as roof support
"Slickenside"; ground highly fractured / tectonisized;
collapsing face and roof (<5m);
extensive ground consolidation measures
Intercalations of sandstone; ground stable,
heavily fractured
Ground heavily fractured, locally collapsing face
Pressurized methane gas inflow
(~0,15m³/min, max. pressure 11 bar)
Collapsing roof; heavily fractured and disintegrated;
ground consolidation measures
Methane intrusion point while perforation
(without significant pressure)
Figura 4 – AVANZAMENTO DELLA COSTRUZIONE DELLA GALLERIA E DIFFICOLTÀ
GEOLOGICHE RISCONTRATE
5 – Il COMPORTAMENTO DELLA TBM IN AMMASSI ROCCIOSI A ELEVATA
CONVERGENZA
La convergenza della galleria è stata una delle principali preoccupazioni della fase
progettuale a causa del grande diametro della galleria e della presenza di formazioni
rocciose di argilliti sotto un alto strato di copertura.
La DSU TBM si è rivelata in grado di operare in presenza di rapide convergenze delle
pareti di scavo senza alcuna difficoltà e senza che fosse necessario ricorrere alla piena
capacità di sovrascavo della macchina grazie al particolare design dello scudo di questo
nuovo tipo di TBM.
Tale capacità operativa consentirà di utilizzare questo tipo di TBM in molti progetti
caratterizzati da condizioni critiche e che fino a oggi erano state affrontate con metodi
tradizionali, con conseguenti ingenti costi e ritmi di avanzamento minimi.
6 – TRATTAMENTO E STABILIZZAZIONE DEL FRONTE DELLA GALLERIA E
DAVANTI A TRATTI CARATTERIZZATI DA INSTABILITA’ DEL FRONTE
Un lungo tratto di scavo ove sono presenti argilliti caotiche e scagliose (formazione di
Arcillas Variegadas) è risultato caratterizzato da grande instabilità del fronte.
Nei tratti più critici il terreno si comportava come un ammasso instabile e incoerente.
In tali condizioni, senza adottare misure speciali, i sovrascavi e i cedimenti del fronte
avrebbero bloccato la TBM nella galleria.
Per tali ragioni, in diversi tratti critici, sono state adottate le seguenti misure:
Ing. Remo Grandori / Ing. Paolo Romualdi
•
Trattamenti di stabilizzazione del fronte - (Figura 5) – quando il sovrascavo in
corrispondenza del fronte aumentava di oltre un paio di metri davanti e sopra la testa
fresante, l’avanzamento della TBM veniva interrotto, i vuoti riempiti con schiume di
resina e il materiale ceduto davanti al fronte consolidato con una miscela di resine
chimiche. La TBM veniva fatta avanzare per alcune corse di scavo fino a quando non
si rendeva necessario ripetere il trattamento.
Void filled with resin
Collapsed material
consolidated with
chemical grout mix
Figura 5 – TRATTAMENTO DI STABILIZZAZIONE DEL FRONTE
•
Pretrattamento del terreno davanti al fronte - (Figura 6) – nei tratti più critici le
argilliti si comportavano come ghiaie incoerenti e persino i trattamenti di
stabilizzazione sopra descritti risultavano insufficienti a controllare i cedimenti del
fronte; era altresì necessario trattare lo stesso terreno davanti alla TBM.
Nello scudo posteriore della TBM è stato realizzato uno schema di tubi in fibra di vetro
attraverso specifici fori per stabilizzare la calotta della galleria. Tali infilaggi sono stati
poi iniettati con una miscela di resina chimica (GEOFOAM o MEYCO), ideale per
penetrare nelle formazioni di argilliti e per aumentare la coesione del terreno tanto da
evitare i cedimenti del fronte.
Nei tratti di galleria particolarmente avversi, tali trattamenti sono stati ripetuti ogni 3-5
m.
Ing. Remo Grandori / Ing. Paolo Romualdi
Figura 6 – PRETRATTAMENTO DEL TERRENO DAVANTI AL FRONTE
7 – L’IMPATTO DEGLI AFFLUSSI DI GAS SULLE ATTIVITÀ DI COSTRUZIONE DELLA
GALLERIA
Le indagini e gli studi geologici effettuati preliminarmente all’esecuzione del progetto non
hanno evidenziato la presenza di gas. La TBM è stata pertanto dotata di un impianto di
monitoraggio gas di tipo standard. Ogniqualvolta la concentrazione di gas supera una
determinata percentuale del limite di esplosione inferiore, l’impianto blocca
automaticamente l’erogazione di energia elettrica alla TBM e al Backup, ad eccezione dei
seguenti dispositivi:
• ventilatori a getto dell’impianto di ventilazione del back-up
• dispositivo di abbattimento delle polveri e relativi ventilatori
• impianto di monitoraggio gas
• impianto di telecomunicazione
• impianto di illuminazione di emergenza
L’impianto di ventilazione installato sul backup della TBM è progettato per 37,5 m3/s di
aria proveniente dall’estremità posteriore del backup e diretto verso la zona della TBM.
Questo quantitativo di aria conserva una velocità dell’aria di 0,61 m/s lungo tutto il
backup.
Si sono riscontrati afflussi di gas già all’altezza della progressiva 1600 mentre afflussi di
gas più significativi si sono riscontrati nella formazione di argilliti, e praticamente di
continuo, tra la progressiva 1850 e la progressiva 2050.
Il gas è stato misurato in un foro di sondaggio a una pressione massima di 11 bar.
Gli eccezionali volumi e la straordinaria pressione degli afflussi di gas, nonché la
continuità degli afflussi per lunghi tratti di galleria, sono stati la causa di consistenti ritardi
e hanno comportato molti fermi alla produzione della TBM, richiedendo l’installazione di
ulteriori impianti per aumentare la velocità dell’aria in alcune aree critiche della zona dello
scudo della TBM.
Ing. Remo Grandori / Ing. Paolo Romualdi
Per evitare la formazione di tasche di gas negli scudi della TBM sono stati installati
numerosi agitatori ad aria compressa nelle zone critiche (Figura 7) e anche numerosi
sensori di gas aggiuntivi.
3
Figura 7 – SCHEMA DI VENTILAZIONE MODIFICATA
I limiti superiori della concentrazione di gas ammessa fissati inizialmente in ragione del
20% del limite di esplosione inferiore sono stati ridotti al 10% nel tentativo di incrementare
il livello di sicurezza in galleria.
Tali misure hanno incrementato in modo consistente l’efficienza dell’impianto di controllo
e monitoraggio dei gas.
Nonostante tali migliorie le interruzioni di energia elettrica erano frequenti a causa delle
alte concentrazioni di gas e in alcuni tratti della galleria avevano luogo dopo poche
rotazioni della testa fresante.
I tempi di attesa di ogni interruzione (da pochi minuti a diverse settimane) variavano in
funzione del volume e della pressione dell’afflusso di gas.
Gli afflussi di gas hanno complessivamente comportato circa 2000 ore di standby,
nonostante le particolari misure integrative adottate sulla TBM per incrementare il flusso
di aria nella zona critica.
La presenza di gas ha influito negativamente sull’avanzamento della TBM in misura di
gran lunga maggiore rispetto a un semplice tempo di attesa, e questo per le seguenti
ragioni:
• la TBM non poteva avanzare in tratti geologici critici alla velocità a alla continuità
richieste e i tempi di attesa imposti dalla presenza del gas hanno indotto il terreno a
sviluppare delle instabilità
Ing. Remo Grandori / Ing. Paolo Romualdi
•
•
•
i frequenti arresti e riavvii della testa fresante hanno costituito un fattore di disturbo
per il terreno in corrispondenza del fronte, di gran lunga superiore di quanto
riscontrato in normali condizioni di esercizio
la presenza di gas ha ritardato, e persino impedito, l’esecuzione di speciali trattamenti
in corrispondenza del fronte e in corrispondenza del terreno davanti al fronte
i frequenti arresti e riavvii delle attività di costruzione della galleria hanno impedito
che i turni del personale addetto alla galleria raggiungessero l’opportuna efficienza;
peraltro, ogniqualvolta veniva rimesso in marcia un impianto industriale di tale
complessità si verificavano dei problemi.
8 – POTENZIALI MIGLIORIE DELLA TECNOLOGIA DSU PER APPLICAZIONI FUTURE
La DSU TBM rappresenta un’evoluzione della tradizionale TBM a doppio scudo e
pertanto molte soluzioni e caratteristiche tecniche sono già di comprovata efficienza e
progettazione.
Le principali migliorie implementabili alla progettazione della DSU TBM per aumentarne
ulteriormente la capacità operativa in condizioni di terreno estremamente avverse
possono essere sintetizzate come segue:
• installazione sulla testa fresante di un sistema di taglienti estensibili progettato per
applicazioni su roccia. SELI ha progettato e collaudato per il Progetto della
Metropolitana di Torino uno schema a taglienti multipli rivelatosi adatto per operare in
rocce tenere e per migliorare la capacità di sovrascavo della TBM in ammassi rocciosi
a elevata convergenza
• evitare la possibilità di disassessamenti tra lo scudo telescopico interno e lo scudo
posteriore
• ulteriore potenziamento della possibilità per la TBM di installare infilaggi (più punti di
ubicazione per la sonda/infilaggi nel perimetro dello scudo) per trattare e stabilizzare
il terreno davanti al fronte.
Tutte le predette migliorie sono relativamente di facile attuazione.
9 - CONCLUSIONI
La combinazione della presenza di una elevata concentrazione di gas e di ammassi
rocciosi particolarmente instabili e convergenti incontrati nel primo tratto lungo 2 km
scavato a oggi, ha ridotto la velocità di avanzamento della TBM.
Nonostante queste condizioni esecutive estremamente critiche, la DSU TBM è stata in
grado di avanzare senza dover ricorrere alla realizzazione di opere speciali quali gallerie
di bypass, caverne, etc.
Anche il rapido e significativo sviluppo della convergenza della galleria non ha, in
particolare, costituito un problema per l’avanzamento della TBM.
I trattamenti preventivi del fronte hanno evitato significativi cedimenti del fronte stesso.
La DSU TBM, anche in condizioni critiche del terreno, può essere manovrata in modalità
telescopica, realizzando il rivestimento a conci contemporaneamente alle attività di scavo.
Questo tipo di macchina è quindi in grado di avanzare a velocità molte elevate anche in
terreni instabili dove la TBM a doppio scudo di tipo tradizionale potrebbe avanzare solo in
modalità monoscudo.
In condizioni di roccia buone, la DSU TBM è in grado di avanzare con una produttività
dell’ordine di 25/30 m/g che è sostanzialmente limitata dai tempi di installazione del
rivestimento a conci e dall’efficienza del sistema di backup.
Ing. Remo Grandori / Ing. Paolo Romualdi
La tecnologia della DSU TBM può essere ulteriormente migliorata per aumentare il
rendimento della fresa in presenza di ammassi rocciosi caratterizzati da estrema criticità.
Ing. Remo Grandori / Ing. Paolo Romualdi