Spiegazione della macchina per il sollevamento di tubi: tipi, come funzionano e quando usarne una

Che cos'è una macchina per il sollevamento di tubi e come funziona?

A macchina per il sollevamento di tubi è un'attrezzatura da costruzione senza scavo utilizzata per installare tubazioni interrate senza la necessità di scavare trincee aperte lungo l'intero percorso. Invece di demolire strade, marciapiedi o paesaggi, la macchina spinge - o "solleva" - sezioni di tubo attraverso il terreno da un pozzo di lancio a un pozzo di ricezione. Questo approccio è ampiamente utilizzato per linee fognarie, condutture idriche, gasdotti e condotte di servizi che corrono sotto strade, ferrovie, fiumi e aree urbane densamente edificate.

Il principio di funzionamento di base prevede un potente telaio di sollevamento idraulico posizionato all'interno della fossa di lancio. Questo telaio applica una forza di spinta assiale controllata per spingere la sezione principale del tubo, che in genere è dotata di una testa di taglio o di uno schermo, attraverso il terreno. Man mano che il materiale di scavo viene rimosso dalla facciata (meccanicamente o tramite liquame), nuove sezioni di tubo vengono aggiunte dietro l'ultima e il processo di spinta continua in modo incrementale fino a quando la serie di tubi raggiunge il pozzo di raccolta sull'altra estremità.

I moderni sistemi di sollevamento dei tubi sono completamente orientabili, il che significa che l'operatore può apportare correzioni in tempo reale all'allineamento e alla pendenza utilizzando la guida laser o sistemi giroscopici. Questa precisione li rende adatti a progetti con tolleranze strette, come installazioni di fognature a gravità che richiedono pendenze esatte.

Principali tipologie di macchine per il sollevamento di tubi

Non tutte le attrezzature per il sollevamento di tubi sono uguali. Il tipo di macchina scelta dipende dal diametro del tubo, dalle condizioni del terreno, dalla lunghezza della guida e dal budget del progetto. Ecco le varianti più comunemente utilizzate:

Macchine per microtunneling (MTBM)

Le alesatrici per microtunneling sono azionate da remoto e progettate per tubi di diametro inferiore, in genere compresi tra 150 mm e 1.500 mm. L'operatore controlla la macchina dalla superficie utilizzando una cabina di controllo con alimentazione CCTV e sistema di puntamento laser. Il liquame viene utilizzato per trasportare i detriti in superficie attraverso un tubo di ritorno dedicato. Gli MTBM sono estremamente precisi e possono gestire un'ampia gamma di tipi di terreno, tra cui argille morbide, ghiaie e persino rocce con la giusta configurazione della testa di taglio.

Macchine per il sollevamento di tubi con bilanciamento della pressione terrestre (EPB).

Le macchine EPB utilizzano il terreno stesso scavato, condizionato con schiuma, bentonite o polimeri, per bilanciare la pressione del terreno sulla superficie di taglio. Ciò impedisce l'assestamento del terreno e li rende ideali per terreni morbidi, acquiferi o misti. Sono comunemente usati negli ambienti urbani dove il cedimento superficiale deve essere ridotto al minimo. Gli impianti di sollevamento per tubi di tipo EPB sono disponibili sia per microtunneling di piccolo diametro che per tunnel con ingresso uomo più grandi.

Macchine per il sollevamento di tubi di protezione dei liquami

Queste macchine pressurizzano la superficie di taglio con un impasto di bentonite, che sostiene il terreno trasportando allo stesso tempo i tagli in superficie attraverso una tubazione. Il liquame viene quindi lavorato in un impianto di separazione in superficie, pulito e ricircolato. Le macchine per liquami sono particolarmente efficaci su terreni instabili, sabbie sciolte e sotto la falda freatica. Tendono ad essere più veloci dei sistemi basati su coclea su tragitti più lunghi.

Alesatrici a coclea

La perforazione a coclea è una forma più semplice ed economica di spinta dei tubi utilizzata su terreni asciutti e stabili. Una coclea rotante all'interno del tubo dell'involucro riporta i residui al pozzo di lancio. Queste macchine vengono generalmente utilizzate per azionamenti più corti e diametri più piccoli. Non sono orientabili, il che ne limita l'utilizzo a progetti in cui la precisione dell'allineamento è meno critica.

Macchine costipatrici per tubi

Lo speronamento dei tubi utilizza un martello pneumatico o idraulico fissato sul retro di un tubo di rivestimento in acciaio. La forza d'impatto spinge il tubo attraverso il terreno senza ruotare o tagliare: il terreno viene semplicemente spostato o compattato. Questo metodo è veloce e potente, rendendolo adatto per l'attraversamento sotto argini, strade e ferrovie su terreni granulari grossolani. Tuttavia, non offre capacità di sterzata ed è ideale per viaggi brevi e rettilinei.

Componenti chiave di un sistema di spinta per tubi

Una configurazione per il sollevamento di tubi è molto più di una semplice alesatrice nella parte anteriore. Il sistema completo comprende diversi componenti integrati che lavorano insieme:

• Telaio di sollevamento: La pressa idraulica principale installata nella fossa di lancio. Applica la forza di spinta alla stringa di tubi. I telai di sollevamento sono valutati in base alla loro capacità di spinta, che generalmente varia da 50 tonnellate a oltre 2.000 tonnellate per trasmissioni di grande diametro.
• Testa di taglio/schermo: L'elemento portante nella parte anteriore della catena di tubi che scava il terreno. Il suo design varia: frese a disco rotanti per roccia, scudi aperti per terreni morbidi o camere pressurizzate con liquame per terreni instabili.
• Tubi da spinta: Tubi in cemento, acciaio o GRP (plastica rinforzata con vetro) appositamente progettati, costruiti per resistere alle forze di sollevamento senza rompersi. In genere hanno giunti lavorati con precisione per garantire l'allineamento e l'impermeabilità.
• Stazioni di sollevamento intermedie (IJS): Nei viaggi più lunghi, l'attrito lungo la catena di tubi può superare la capacità del telaio di sollevamento principale. Le unità IJS sono installate a intervalli all'interno della catena di tubi per fornire ulteriore forza di spinta dall'interno, estendendo notevolmente la lunghezza di guida ottenibile.
• Sistema di lubrificazione: L'impasto liquido di bentonite o polimero viene iniettato attraverso le porte nella parete del tubo per ridurre l'attrito della pelle lungo il vuoto anulare tra il tubo e il terreno circostante. Questo è fondamentale per i lunghi viaggi e su argille appiccicose.
• Sistema di guida: Un raggio laser proiettato dalla fossa di lancio su un bersaglio all'interno della macchina fornisce dati di allineamento continui. I progetti più sofisticati possono utilizzare la guida giroscopica o basata sulla stazione totale per gli allineamenti curvi.
• Sistema di rimozione del bottino: A seconda del tipo di macchina, potrebbe trattarsi di una tubazione per il liquame, di una coclea, di un nastro trasportatore o di un sistema di carri per il letame per tunnel di ingresso uomo.

Sollevamento di tubi e scavo a cielo aperto: un confronto diretto

Per molti progetti, gli ingegneri devono decidere tra lo scavo convenzionale a cielo aperto e il sollevamento di tubi senza scavo. Ecco come i due metodi si sovrappongono ai fattori chiave del progetto:

Condizioni del terreno e scelta della macchina

Una delle decisioni più critiche in qualsiasi progetto di sollevamento di tubi è abbinare la macchina giusta alle condizioni prevalenti del terreno. L'utilizzo di una testina di taglio o di un tipo di protezione errati può provocare instabilità della superficie, inceppamenti della macchina, usura eccessiva o fallimento del progetto. Un'indagine geotecnica approfondita prima dell'inizio dei lavori non è facoltativa: è essenziale.

Argille morbide e limi

Questi terreni sono soggetti a sollevamenti e schiacciamenti, soprattutto sotto le strade urbane o in prossimità di strutture esistenti. Le macchine EPB con schermi facciali chiusi funzionano bene in questo caso, poiché mantengono il supporto continuo del viso e riducono al minimo i movimenti del terreno. Il terreno condizionato nel trasportatore a coclea funge da buffer di pressione.

Sabbie e ghiaie sotto la falda freatica

I terreni granulari saturi sono instabili e richiedono una macchina per liquami o un EPB pressurizzato. I sistemi con liquame sono particolarmente efficaci in questo caso perché la sospensione di bentonite si infiltra rapidamente negli spazi dei pori per creare un pannello filtrante stabile sulla facciata del tunnel. La disidratazione dovrebbe sempre essere valutata come misura alternativa o supplementare.

Condizioni di viso misto

I percorsi che incontrano sia roccia che terreno soffice all'interno della stessa sezione trasversale sono tra i più impegnativi. In questi scenari vengono utilizzate macchine multimodali in grado di passare dal funzionamento EPB a quello con liquame o teste di taglio per terreni misti appositamente costruite con frese a disco e raschiatori.

Roccia

Il sollevamento di tubi in roccia dura utilizza teste di taglio dotate di frese a disco in carburo di tungsteno simili a quelle delle TBM a tutta superficie. La roccia è scheggiata e fratturata anziché scavata. I tassi di usura sono elevati e sono necessarie ispezioni periodiche delle teste di taglio, il che di solito significa accesso con ingresso uomo o alberi di accesso intermedio su trasmissioni molto lunghe.

Limiti di lunghezza della guida e come estenderli

Un vincolo fondamentale nel sollevamento di tubi è la massima lunghezza di guida ottenibile prima che le forze di attrito sulla batteria di tubi superino ciò che il telaio di sollevamento può superare. In condizioni normali e senza lubrificazione, la lunghezza di guida potrebbe essere limitata a 80–150 metri. Tuttavia, con le tecniche e le attrezzature moderne, è possibile raggiungere distanze di 500 metri o più.

Le principali strategie per estendere la lunghezza del viaggio includono:

• Lubrificazione della bentonite: L'iniezione del lubrificante attraverso le porte nella parete del tubo riduce significativamente l'attrito della pelle, a volte del 50% o più, a seconda del tipo di terreno e del volume di applicazione.
• Stazioni di sollevamento intermedie: Gli anelli idraulici IJS vengono installati a intervalli pianificati all'interno della catena di tubi. Si attivano in sequenza per spingere in avanti tratti di tubo, riducendo il carico su ogni singolo punto dell'impianto.
• Testa di taglio sovradimensionata: L'utilizzo di una testa di taglio leggermente più grande del diametro esterno del tubo (creando un vuoto anulare) riduce l'attrito di contatto lungo l'intera interfaccia tubo-terreno.
• Telai di sollevamento ad alta capacità: L'aggiornamento a un telaio di sollevamento principale più grande fornisce ulteriore capacità di spinta di riserva per gestire aumenti imprevisti dell'attrito.

Materiali dei tubi utilizzati nel sollevamento dei tubi

I tubi utilizzati nelle operazioni di sollevamento sono progettati appositamente per sopportare sia le forze di sollevamento durante l'installazione che i carichi di servizio per tutta la vita operativa della condotta. I materiali più comunemente utilizzati per i tubi sono:

• Tubo in cemento armato (RCP): Il materiale più utilizzato per le fognature a gravità e le acque piovane. Disponibili nei diametri da 300 mm a 3.000 mm, con anelli terminali in acciaio per il trasferimento della forza di sollevamento. Elevata resistenza alla compressione ma richiede un'attenta manipolazione per evitare fessurazioni.
• Tubo d'acciaio: Utilizzato per condotte in pressione come condutture idriche e linee del gas. Altamente resistente ai carichi di sollevamento e può essere saldato in sezioni. Spesso rivestito internamente (resina epossidica) ed esternamente (rivestimento in polietilene o legato per fusione) per la protezione dalla corrosione.
• Plastica rinforzata con vetro (GRP/RTRP): Leggero e resistente alla corrosione. Utilizzato in ambienti chimici o aggressivi. I tubi in PRFV devono essere progettati specificamente per il sollevamento per gestire la spinta di compressione senza deformarsi.
• Tubo in ferro duttile: Utilizzato per condotte in pressione di diametro inferiore. Forte, durevole e resistente alla pressione interna. I giunti devono essere adattati al sollevamento per gestire la spinta longitudinale.
• Tubo in calcestruzzo polimerico (PCP): Un materiale composito che offre un'eccellente resistenza chimica e una superficie interna liscia. Utilizzato per ambienti fognari aggressivi in ​​cui il calcestruzzo standard si corroderebbe nel tempo.

Applicazioni comuni delle attrezzature per il sollevamento di tubi

Le macchine per il sollevamento di tubi sono utilizzate in un'ampia gamma di settori delle infrastrutture. La loro capacità di lavorare sotto strutture e superfici esistenti senza grandi interruzioni li rende indispensabili nella moderna ingegneria civile:

• Attraversamenti stradali e autostradali: Installazione di canali sotterranei, tubi di drenaggio e condotte di servizi sotto le principali strade e autostrade senza interruzioni del traffico.
• Sottopassi ferroviari: Formare sottopassi pedonali o passaggi di servizio sotto le linee ferroviarie attive laddove lo scavo in superficie sarebbe impraticabile o pericoloso.
• Attraversamenti di fiumi e corsi d'acqua: Installazione di tubi sotto fiumi o estuari di marea dove l'HDD o il taglio aperto non sono fattibili a causa di limitazioni ambientali o di profondità.
• Sistemi fognari urbani: Posa di fognature a gravità con controllo preciso del livello in ambienti urbani densi dove il disturbo della superficie sarebbe inaccettabile.
• Infrastrutture aeroportuali: Installazione di condotte di drenaggio e di servizio sotto le piste e le vie di rullaggio senza influenzare le operazioni di volo.
• Siti industriali: Instradamento delle condotte attraverso impianti e strutture esistenti dove vincoli generali o continuità del processo impediscono lo scavo superficiale.

Considerazioni su salute, sicurezza e ambiente

Sebbene il jacking dei tubi sia intrinsecamente più sicuro dello scavo a cielo aperto sotto molti aspetti (meno trincee esposte, minore interazione con il traffico, ridotto rischio di crollo), introduce una serie di considerazioni sulla sicurezza che devono essere gestite con attenzione.

Le fosse di lancio e ricezione sono spazi confinati e devono essere gestiti secondo le normative sugli spazi confinati. I lavoratori che entrano nelle fosse devono essere dotati di apparecchiature per il rilevamento del gas, DPI adeguati e sistemi di recupero di emergenza. Il telaio di sollevamento e i sistemi idraulici operano sotto forze estremamente elevate, richiedendo operatori competenti e ispezioni regolari delle attrezzature.

Per i sistemi a base di liquami, l'impianto di separazione della bentonite genera liquami di scarto che devono essere smaltiti secondo le normative ambientali locali. Scaricare acqua contaminata da bentonite negli scarichi o nei corsi d'acqua è illegale nella maggior parte delle giurisdizioni. Nei siti conformi sono obbligatori serbatoi di sedimentazione, sistemi di riciclaggio e percorsi di smaltimento autorizzati adeguati.

Il rumore e le vibrazioni derivanti dall'operazione di sollevamento, in particolare dallo speronamento dei tubi, devono essere monitorati in prossimità di recettori sensibili come scuole, ospedali e proprietà residenziali. Il monitoraggio delle vibrazioni e le restrizioni sull’orario di lavoro sono comunemente imposti come condizioni di autorizzazione nelle aree urbane.

Come scegliere l'appaltatore giusto per il sollevamento di tubi

Selezionare l'appaltatore giusto per un progetto di sollevamento di tubi è importante quanto selezionare la macchina giusta. Gli aspetti fondamentali da valutare quando si presenta una gara d'appalto o si nomina un appaltatore specializzato includono:

• Esperienza comprovata nelle condizioni specifiche del terreno e nella gamma di diametri dei tubi rilevanti per il vostro progetto.
• Registri di proprietà e manutenzione delle attrezzature di spinta dei tubi da utilizzare: le macchine noleggiate da terzi possono introdurre incertezze sulla funzionalità.
• Una chiara dichiarazione metodologica che copra la progettazione della fossa, il supporto a terra, la gestione del fronte, il piano di lubrificazione, il sistema di guida e la contingenza per condizioni impreviste.
• Proposte di monitoraggio degli insediamenti per unità urbane in prossimità di strutture esistenti, con livelli di attivazione definiti e azioni di risposta.
• Referenze da progetti comparabili completati negli ultimi tre-cinque anni, idealmente con dettagli di contatto per la verifica.
• Registro in materia di salute e sicurezza: richiedi il tasso di incidenti segnalabili RIDDOR e verifica eventuali avvisi di applicazione recenti.

Il tender più economico raramente è la scelta migliore per il sollevamento di tubi. Un appaltatore senza la giusta esperienza o attrezzatura per le tue condizioni specifiche può costare molto di più in termini di ritardi, riparazioni e reclami rispetto al risparmio iniziale sul prezzo del contratto.