Lo scavo meccanizzato di gallerie (TBM)

Lo scavo meccanizzato rappresenta la frontiera tecnologica nella realizzazione di gallerie, sostituendo le tecniche tradizionali (esplosivo, martellone) con veri e propri “impianti industriali mobili” noti come TBM (Tunnel Boring Machines).

Il settore è dominato da un oligopolio tecnologico composto da pochi grandi player mondiali che detengono il know-how per la costruzione di queste macchine complesse:

• Germania: Herrenknecht (leader indiscusso per versatilità e gamma).
• USA: The Robbins Company (storicamente forti sulle macchine per roccia dura).
• Giappone: Komatsu e altri consorzi (specializzati spesso in macchine per terreni sciolti e scudi complessi).

Una TBM non è solo una “fresa”, ma una fabbrica lineare che scava, sostiene il fronte, smarina (ossia rimuove il materiale) e installa il rivestimento definitivo in un unico processo integrato.

Le parti di una TBM

Una TBM si compone essenzialmente di due macro-sezioni: la macchina vera e propria (testa e scudo) e il sistema di backup (treno di supporto).

Gli elementi principali sono:

1. Testa di scavo (cutterhead): è l’elemento rotante frontale a contatto con il terreno. Monta gli utensili di taglio (dischi, denti o scraper) e, ruotando, disgrega il materiale.
2. Scudo (shield): è un cilindro metallico che protegge la zona di lavoro immediatamente dietro la testa, prevenendo il crollo delle pareti prima dell’installazione del rivestimento (assente nelle TBM “aperte” per roccia sana).
3. Sistema di spinta (thrust system): è costituito da martinetti idraulici (cilindri) che spingono la macchina in avanti. Il contrasto può essere fornito dai gripper (pattini che si ancorano alla roccia) o spingendo direttamente sui conci di rivestimento già posati.
4. Treno di supporto (backup, gantry): è costituito da una serie di carri trainati dalla TBM che contengono la logistica: cabina di pilotaggio, trasformatori elettrici, sistemi di ventilazione, nastri trasportatori per lo smarino, materiali per l’iniezione, ecc.

Classificazione delle macchine

La scelta della macchina corretta è dettata dalla geologia. La classificazione principale distingue tra macchine per roccia (spesso aperte) e macchine per terreni sciolti/instabili (scudate).

TBM aperte

• Ambito: roccia sana, stabile (P=0, nessuna pressione di confinamento necessaria).
• Funzionamento: La macchina avanza grazie a dei gripper (pattini laterali) che si espandono e puntano contro le pareti di roccia dello scavo.
• Ciclo: discontinuo (scavo → riposizionamento gripper).
• Sostegno: non installano immediatamente il rivestimento definitivo a conci; si usa spesso spritz-beton, reti o centine.

TBM scudate

Le TBM scudate (shielded) sono utilizzate quando le pareti non sono stabili o c’è rischio di venute d’acqua.

1. Scudo singolo (single shield): avanza spingendo idraulicamente sui conci di calcestruzzo prefabbricati appena montati.
2. Doppio scudo (double shield): una macchina ibrida e versatile. Possiede sia i gripper per spingere sulla roccia (scavo continuo) sia i cilindri longitudinali per spingere sui conci. Questo permette di montare il rivestimento mentre si scava, aumentando drasticamente la produttività.

TBM a fronte in pressione

Quando il fronte di scavo è instabile (terreni sciolti, falda alta), è necessario applicare una contro-pressione attiva per evitare crolli o subsidenza in superficie. Si dividono in:

• EPB (Earth Pressure Balance):
  • Il terreno scavato viene accumulato nella camera di scavo e usato come fluido di supporto. La pressione è controllata dalla velocità di estrazione della coclea.
  • Terreni coesivi (argille, limi) o sabbie con scarso attrito interno ma bassa permeabilità.
  • Si bilancia la pressione del terreno e dell’acqua usando il materiale stesso plastificato con schiume.
• Idroscudo (hydroshield / slurry shield):
  • Si usa un fluido in pressione (fango bentonitico) pompato nella camera di scavo. Il fango crea un “cake” (pellicola impermeabile) sul fronte e sostiene lo scavo.
  • Terreni granulari molto permeabili (sabbie, ghiaie), alte pressioni idrostatiche, presenza di blocchi.
  • Richiede un impianto di separazione (dissabbiatore) in superficie per pulire il fango e reimmetterlo nel circuito.

Fisica del sostegno al fronte

La stabilità del fronte è il cuore della progettazione nelle macchine chiuse.

Pressioni in gioco

Nello scudo a fango (hydroshield), la pressione di sostegno Ps deve bilanciare la pressione orizzontale del terreno e la pressione dell’acqua di falda u:

Dove:

• K₀: coefficiente di spinta a riposo
• σ_v: tensione verticale litostatica
• u: pressione dei pori (acqua).

Per gallerie di grande diametro (D > 7 m), bisogna considerare che la pressione idrostatica del fango varia linearmente con la profondità in modo diverso dalla pressione del terreno, creando gradienti complessi sulla faccia dello scavo.

Stabilità in terreni coesivi (EPB)

Per gli scudi in argille (EPB), la stabilità è governata dal criterio di Peck (1969). Per evitare l’estrusione dell’argilla all’interno della camera (collasso del fronte), il numero di stabilità N deve essere controllato. La formula inversa per la verifica è:

Dove:

• c_u: coesione non drenata necessaria.
• γ H: carico geostatico totale.
• Pa: pressione di supporto applicata dalla macchina (aria o terra).
• Nc: numero di stabilità critico (generalmente tra 4 e 6 per tunnel profondi).

Se la coesione reale del terreno è inferiore a questo valore limite, il fronte collassa plasticamente se non sostenuto adeguatamente dalla pressione Pa.

Criteri di selezione della macchina

La scelta tra EPB e Idroscudo dipende dalla granulometria e dalla permeabilità:

1. EPB: Ideale per argille (clay) e limi (silt). Si usa quando il terreno ha una certa coesione naturale o può essere “condizionato” con schiume per diventare pastoso e impermeabile.
2. Hydroshield: Necessario per sabbie (sand) e ghiaie (gravel). Quando la permeabilità è alta (k > 10^-5 m/s), la pressione dell’aria o della terra dell’EPB verrebbe persa attraverso i pori. La bentonite, invece, intasa i pori creando una membrana impermeabile.

Il grafico di selezione mostra chiaramente che all’aumentare della granulometria (verso destra nel grafico granulometrico), si passa dal dominio EPB a quello Hydroshield. Esistono macchine ibride (“Dual Mode”) per geologie miste.

Utensili di taglio e meccanica della rottura

La testa di scavo monta utensili diversi in base al materiale:

• Dischi: per roccia dura, non “tagliano” nel senso classico. Rotolano sulla roccia applicando una pressione puntuale elevatissima che genera una crushed zone (zona frantumata) sotto il disco. Da qui partono fessure radiali (tensile cracks). Quando le fessure di due dischi adiacenti si incontrano, si stacca una scaglia di roccia (chip). Il parametro chiave è il rapporto tra spaziamento dei dischi S e penetrazione P. L’ottimo energetico si ha solitamente per:

• Picchi e raschiatori (scrapers/rippers): per terreni sciolti (argille, sabbie). Agiscono come lame che “scavano” via il terreno.
• Benne (buckets): raccolgono il materiale scavato e lo convogliano verso il centro della testa o sui nastri.

Focus materiali: il WIDIA

Gli utensili sono realizzati in leghe durissime, tipicamente Carburo di Tungsteno sinterizzato con Cobalto, noto commercialmente come Widia (dal tedesco Wie Diamant, “come diamante”).

• Durezza: circa 9 della scala Mohs (Vickers HV ~1500-2600).
• Resistenza termica: mantiene le proprietà di taglio fino a 1000°C (contro i 600°C degli acciai rapidi), fondamentale per l’enorme calore generato dall’attrito con la roccia.

Il rivestimento: i conci

Nelle TBM scudate, il tunnel viene rivestito immediatamente mediante l’impiego di anelli composti da 6-8 segmenti prefabbricati in calcestruzzo armato (conci).

• Concio chiave (key segment): un concio più piccolo, a forma di cuneo, inserito per ultimo per chiudere l’anello e bloccarlo in compressione (effetto arco).

Ogni concio ha guarnizioni in EPDM lungo i bordi per garantire la tenuta idraulica (impermeabilità).

Lo spazio vuoto (gap) tra l’esterno dell’anello (diametro scudo) e il terreno scavato deve essere riempito immediatamente con malta (grout) bicomponente per bloccare l’anello ed evitare cedimenti in superficie.

Confronto: scavo tradizionale vs meccanizzato

Parametro	Scavo tradizionale (esplosivo/martellone)	Scavo meccanizzato (TBM)
Flessibilità sezione	Alta (si può cambiare forma in corso d’opera)	Nulla (sezione circolare fissa)
Costi Iniziali	Bassi (macchinari standard)	Altissimi (costruzione e montaggio TBM)
Lunghezza tunnel	Conveniente per tunnel corti (< 1-2 km)	Conveniente per tunnel lunghi (> 2-3 km)
Produttività	Bassa (1-3 m/giorno in terra, 6-8 in roccia)	Altissima (15-30 m/giorno e oltre)
Sicurezza	Minore (uomini esposti al fronte)	Massima (uomini protetti dallo scudo)
Disturbo ambientale	Vibrazioni alte (esplosivo)	Minimo (specie con macchine scudate)

La TBM è la scelta obbligata per gallerie lunghe (> 3-4 km) o in ambito urbano sotto falda, mentre il tradizionale resiste per gallerie corte, geometrie complesse o geologie estremamente variabili e imprevedibili.

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