Macchina per il sollevamento di tubi: come funziona, quando usarla e cosa cercare

Cosa fa realmente una macchina per il sollevamento di tubi

Una macchina per il sollevamento di tubi è un sistema di costruzione senza scavo che installa condotte sotterranee perforando contemporaneamente il terreno e spingendo sezioni di tubo prefabbricate nel tunnel scavato da un pozzo di lancio a livello della superficie. La macchina taglia sulla superficie del foro mentre i martinetti idraulici posizionati nella parte posteriore della catena di tubi applicano la spinta in avanti necessaria per far avanzare sia la testa di taglio che il treno di tubi in crescita attraverso il terreno. Il risultato è una condotta completamente rivestita e installata in profondità, senza la necessità di scavare una trincea aperta continua lungo il percorso della condotta.

Questo metodo, chiamato anche pipe jacking, pipe pressing in alcuni contesti o microtunneling se applicato a fori di diametro inferiore con guida telecomandata, è diventato una delle tecniche più importanti nella costruzione di servizi sotterranei. Viene utilizzato per installare condutture fognarie a gravità, condotte di trasmissione dell'acqua, linee di distribuzione del gas, condotte per telecomunicazioni e canali sotterranei sotto strade, ferrovie, fiumi, piste e aree urbane edificate dove gli scavi a cielo aperto sarebbero impraticabili, dannosi o vietati dagli operatori delle infrastrutture e dalle autorità di pianificazione.

La stessa macchina per tubi è il sistema di taglio e guida nella parte anteriore dell'operazione: il componente che determina il diametro del foro, la compatibilità del terreno, la precisione della linea e della pendenza e la capacità di supporto del fronte. Tutto il resto di un'operazione di sollevamento di tubi (il telaio di sollevamento, l'anello reggispinta, le stazioni di sollevamento intermedie, il sistema di lubrificazione e la disposizione per la rimozione dei materiali) è configurato in base ai requisiti della macchina e alle condizioni specifiche del terreno incontrate nel progetto.

I componenti principali di un sistema di spinta per tubi

Un sistema completo di sollevamento tubi è molto più di una semplice macchina da taglio. Si tratta di un insieme integrato di sistemi meccanici, idraulici e di guida che devono lavorare tutti insieme in modo affidabile affinché l'operazione possa avanzare in modo sicuro e in linea. Comprendere il ruolo di ciascun componente aiuta gli appaltatori e gli ingegneri di progetto a prendere decisioni migliori sulla selezione delle apparecchiature e ad anticipare dove è più probabile che si verifichino i problemi.

La testa tagliente e lo scudo

La testa di taglio è l'elemento più avanzato del macchina per il sollevamento di tubi , progettato per scavare il terreno e presentarlo per la rimozione attraverso il foro della tubazione. Il design della testa di taglio varia in modo significativo in base alle condizioni del terreno. Nei terreni morbidi (argille, limi, sabbie e ghiaie) viene generalmente utilizzata una testa di taglio a disco rotante o a raggi con porte per il condizionamento del terreno, spesso in combinazione con bentonite o iniezione di polimeri per stabilizzare la superficie e ridurre l'attrito. Su terreni misti o rocciosi, sono necessarie teste di taglio più robuste dotate di frese a disco, punte trascinatrici o frese a bottone in carburo di tungsteno per frantumare il materiale per la rimozione. La testa fresante è alloggiata all'interno di uno scudo in acciaio che fornisce supporto al terreno in corrispondenza del fronte del tunnel e costituisce il corpo strutturale della macchina.

Il telaio di sollevamento e i cilindri di spinta

Il telaio di sollevamento principale è installato nel pozzo di lancio dietro la catena di tubi e fornisce la forza di spinta primaria che fa avanzare la macchina e i tubi attraverso il terreno. È costituito da un pesante telaio di reazione in acciaio ancorato contro la parete posteriore della fossa, dotato di cilindri idraulici (tipicamente da due a quattro cilindri di grosso diametro) che poggiano su un anello di spinta o un collare di spinta appoggiato sulla faccia posteriore dell'ultimo tubo della corda. Le forze di spinta nelle operazioni di spinta dei tubi sono notevoli: le unità di microtunneling di piccolo diametro possono richiedere 50-200 tonnellate di spinta, mentre le unità di grande diametro in terreni difficili con lunghe stringhe di tubi possono richiedere forze di spinta superiori a 1.000-3.000 tonnellate. Il telaio di sollevamento deve essere dimensionato per erogare queste forze in modo sicuro ed essere correttamente dimensionato per il diametro del tubo e la resistenza al suolo prevista della trasmissione specifica.

Sistema di rimozione del bottino

Il materiale di scavo deve essere continuamente rimosso dal fronte del tunnel attraverso il foro della tubazione durante il sollevamento. Il metodo di rimozione del materiale è una delle variabili chiave che differenzia i tipi di macchine per il sollevamento di tubi. Le macchine per la protezione dei liquami utilizzano un circuito di liquame bentonitico pressurizzato per sospendere e trasportare idraulicamente i tagli attraverso un tubo dei liquami fino a un impianto di separazione superficiale, dove i solidi vengono estratti e il liquame pulito viene ricircolato. Le macchine per il bilanciamento della pressione del terreno mescolano il terreno scavato con agenti condizionanti per creare una massa plastificata che viene poi estratta da una coclea di Archimede attraverso il foro della tubazione fino al pozzo di lancio. Lo scavo manuale con utensili manuali e la rimozione dei cassonetti vengono ancora utilizzati nelle unità di diametro maggiore dove l'ingresso dei lavoratori è pratico e le condizioni del terreno sono sufficientemente stabili da consentirlo.

Sistema di guida e sterzo

Mantenere la precisione della linea e della pendenza durante tutto il percorso è fondamentale: le tubazioni installate fuori allineamento causano problemi di gradiente idraulico nelle fognature a gravità, stress sui giunti nelle condutture in pressione e potenziali conflitti con i servizi esistenti. Le macchine per il sollevamento di tubi vengono sterzate regolando l'estensione dei cilindri di sterzo idraulici posizionati attorno alla periferia dello scudo, che articolano la testa della macchina rispetto alla successiva serie di tubi. Il monitoraggio della posizione viene ottenuto tramite un teodolite laser montato nella fossa di lancio che proietta un raggio su un bersaglio all'interno della macchina: la deviazione della macchina dal raggio viene letta dall'operatore e corretta attraverso i cilindri di sterzo. Sistemi di guida più sofisticati che utilizzano stazioni totali giroscopiche o giroscopi laser ad anello vengono utilizzati su percorsi più lunghi o curve dove una semplice linea laser non è sufficiente.

Tipi di macchine per il sollevamento di tubi e quando ciascuna viene utilizzata

Le macchine per il sollevamento di tubi non sono un unico prodotto: esistono in diverse configurazioni distinte, ciascuna ottimizzata per una diversa gamma di diametri del foro, condizioni del terreno e requisiti di progetto. La scelta del giusto tipo di macchina è la decisione più importante per qualsiasi progetto di sollevamento di tubi.

Macchine per microtunneling (MTBM)

Le macchine per microtunneling sono sistemi di spinta di tubi azionati a distanza progettati per diametri del foro che in genere vanno da 150 mm a 1.200 mm, sebbene il confine con i sistemi di ingresso con equipaggio più grandi sia specifico del progetto. La caratteristica distintiva di una macchina per microtunneling è che l'operatore non entra nel tunnel durante la guida: tutto lo sterzo, il monitoraggio e il controllo della macchina sono gestiti da una cabina di controllo di superficie tramite una connessione ombelicale. Questa capacità operativa a distanza rende il microtunneling adatto a fori di piccolo diametro in cui l’ingresso dei lavoratori è fisicamente impossibile e per qualsiasi condizione del terreno in cui l’accesso frontale presenta un rischio inaccettabile per la sicurezza. Le macchine per microtunneling sono più comunemente sistemi di tipo liquame, con taglio idraulico e trasporto del liquame che forniscono un supporto continuo del fronte e un'efficiente rimozione del materiale su terreni morbidi e misti.

Macchine per il sollevamento di tubi per l'equilibrio della pressione terrestre

Le macchine per il sollevamento di tubi con bilanciamento della pressione terrestre (EPB) utilizzano il terreno scavato stesso, condizionato con acqua, schiuma o polimero per ottenere una plasticità praticabile, come mezzo di supporto principale della facciata. Una paratia di pressione dietro la testa di taglio mantiene una pressione controllata del terreno contro la facciata del tunnel, con la velocità di estrazione del trasportatore a coclea bilanciata rispetto alla velocità di avanzamento per mantenere la pressione della facciata entro un intervallo target. Le macchine EPB sono particolarmente efficaci su terreni coesivi e misti, sabbie impregnate d'acqua e ambienti urbani dove gli assestamenti del terreno devono essere ridotti al minimo. Gestiscono un'ampia gamma di diametri da circa 600 mm fino a diversi metri e sono disponibili sia in configurazioni con comando remoto che con ingresso presidiato, a seconda delle dimensioni del foro.

Macchine per il sollevamento di tubi di protezione dei liquami

Le macchine schermanti per liquame supportano il fronte del tunnel utilizzando liquame di bentonite pressurizzato e rimuovono idraulicamente i detriti attraverso un circuito chiuso di liquame. Eccellono nei terreni granulari saturi (sabbie correnti, ghiaie e depositi alluvionali permeabili) dove il condizionamento dell'EPB è difficile e dove il mantenimento della pressione frontale è fondamentale per prevenire esplosioni o assestamenti. L'impianto di separazione dei liquami richiesto in superficie è un elemento logistico significativo nei progetti di tipo liquame: occupa un'area considerevole del sito, richiede un'attenta gestione delle proprietà della miscela di liquame e genera un flusso di smaltimento dei residui di liquame filtrato pressato che deve essere gestito come materiale di scarto. Nonostante questa complessità, le macchine per la protezione dei liquami sono spesso l’unica tecnologia praticabile per terreni granulari contenenti acqua a profondità significative.

Macchine per il sollevamento di tubi per il taglio della roccia

Nelle formazioni rocciose, le teste fresanti standard del terreno sono inefficaci e sono necessarie macchine specializzate per il taglio delle rocce. Queste macchine sono dotate di gruppi di frese a disco su tutta la superficie, simili in linea di principio a una TBM (macchina per l'alesatura di tunnel), che applicano carichi concentrati elevati alla parete rocciosa per fratturarla in trucioli. I trucioli vengono quindi lavati o convogliati fuori dal foro. Le macchine per il sollevamento di rocce devono essere adattate alle caratteristiche di resistenza a compressione, abrasività e frattura della specifica formazione rocciosa: rocce sedimentarie morbide come gesso o pietra fangosa possono essere movimentate da teste di punte rinforzate, mentre rocce dure ignee o metamorfiche con valori UCS superiori a 100 MPa richiedono frese a disco a faccia intera in gradi di acciaio più duri. I tassi di usura delle frese nella roccia abrasiva rappresentano un importante fattore di costo e devono essere presi in considerazione nei budget del progetto fin dall'inizio.

Condizioni del terreno e loro impatto sulla scelta della macchina

Nessun tipo di macchina da sollevamento a tubo singolo offre buone prestazioni in tutte le condizioni del terreno. L'indagine geotecnica (pozzi di trivellazione, pozzi di prova, test di laboratorio su campioni di terreno e monitoraggio del livello delle acque sotterranee) è la base essenziale su cui deve basarsi ogni decisione sulla selezione della macchina. Specificare la macchina sbagliata per le condizioni del terreno incontrate è una delle cause più frequenti di fallimento del progetto di pipe jacking, che porta a macchine bloccate, scoppi, cedimenti eccessivi o completo abbandono della guida.

La tabella seguente riassume la relazione generale tra le condizioni del terreno e i tipi appropriati di macchine per il sollevamento di tubi:

Gestione delle forze di sollevamento e utilizzo delle stazioni di sollevamento intermedie

Man mano che la stringa di tubi si allunga durante la guida, l'attrito che agisce sulla superficie esterna dei tubi si accumula e la forza di spinta totale necessaria per far avanzare il sistema aumenta progressivamente. Nei viaggi brevi su terreno favorevole, questo accumulo è gestibile entro la capacità del solo telaio di sollevamento principale. Nei viaggi più lunghi, in particolare quelli che superano i 100-150 metri, o nei viaggi più brevi su terreni abrasivi o ad alto attrito, l'attrito superficiale accumulato può superare la capacità di spinta del telaio principale e la capacità di carico strutturale dei giunti dei tubi. È qui che le stazioni di sollevamento intermedie diventano essenziali.

Una stazione di sollevamento intermedia (IJS) è un corto cilindro in acciaio dotato di un proprio set di pistoni idraulici, installato all'interno della catena di tubi a intervalli predeterminati durante la guida. Quando la forza di sollevamento si avvicina al limite, i pistoni IJS vengono attivati ​​per spingere la parte anteriore della colonna di tubi in modo indipendente mentre i martinetti principali si ripristinano. Dividendo la stringa di tubi in segmenti e attivando le unità IJS in sequenza, la forza massima applicata a ogni singolo giunto del tubo viene mantenuta entro limiti strutturali di sicurezza e la trasmissione può continuare ben oltre ciò che il solo telaio di sollevamento principale potrebbe raggiungere. Progetti di spinta di tubi ben progettati su viaggi lunghi specificano in anticipo le posizioni IJS in base ai carichi di attrito calcolati, con posizioni aggiuntive pre-pianificate nel caso in cui le condizioni del terreno siano peggiori del previsto.

La lubrificazione dell'interfaccia tubo-terra mediante impasto liquido di bentonite o gel polimerico iniettato attraverso le porte nella parete del tubo è l'altra strategia principale per gestire le forze di sollevamento. Un programma di lubrificazione efficace può ridurre l'attrito tra le pareti del tubo del 50-80% rispetto alle trasmissioni non lubrificate, estendendo notevolmente la lunghezza di trasmissione raggiungibile e riducendo il numero di unità IJS necessarie. La lubrificazione deve essere mantenuta continuamente durante tutta la trasmissione: consentire che si rompa o venga assorbita dal terreno circostante aumenta rapidamente l'attrito e può causare il blocco della tubazione.

Materiali dei tubi utilizzati nelle operazioni di spinta dei tubi

Le sezioni di tubo spinte attraverso il terreno da una macchina per il sollevamento di tubi devono resistere sia ai carichi di spinta trasmessi lungo il loro asse sia alle pressioni esterne del terreno e delle acque sotterranee che agiscono sulle loro pareti per tutta la loro vita utile. Non tutti i materiali dei tubi sono adatti al sollevamento tramite spinta e la scelta del tipo di tubo ha implicazioni dirette sul diametro del foro, sulla lunghezza di guida, sulla deflessione consentita in corrispondenza dei giunti e sulle prestazioni della tubazione a lungo termine.

• Tubo di spinta in cemento armato: Il materiale più utilizzato per il sollevamento di fognature di diametri medio-grandi (da 300 mm a 3.000 mm e oltre). I tubi di spinta in calcestruzzo sono prodotti secondo specifici standard di spinta - EN 1916 in Europa, ASTM C76 in Nord America - con anelli terminali in acciaio temprato su ciascuna faccia del giunto per distribuire uniformemente i carichi di spinta e ridurre al minimo la concentrazione delle sollecitazioni nel giunto. Offrono un'eccellente durata a lungo termine, resistenza chimica ai gas di fogna e costi competitivi con diametri maggiori.
• Tubo per sollevamento in argilla vetrificata: Utilizzato in diametri fognari più piccoli, in genere da 150 mm a 600 mm. L'argilla vetrificata offre un'eccezionale resistenza agli attacchi chimici provenienti da liquami aggressivi e effluenti industriali, rendendola la scelta preferita per ambienti fognari chimicamente impegnativi. La sua fragilità rispetto al calcestruzzo richiede un'attenta manipolazione e limita le forze di sollevamento che possono essere applicate.
• Tubo di sollevamento in acciaio: Utilizzato per condotte di trasmissione di acqua e gas, oleodotti e tubi di rivestimento di diametri maggiori. L'acciaio fornisce una resistenza alla compressione e alla trazione molto elevata, consentendo l'applicazione di elevate forze di sollevamento e rendendolo adatto per lunghi viaggi e condizioni di terreno duro. La protezione esterna dalla corrosione (resina epossidica con legante per fusione, rivestimento in poliuretano o protezione catodica) è essenziale per una lunga durata.
• Tubo da spinta in PRFV (polimero rinforzato con fibra di vetro): Combina elevata resistenza con leggerezza ed eccellente resistenza alla corrosione. I tubi jacking in PRFV sono sempre più specifici per ambienti chimicamente aggressivi e per trasmissioni in cui il peso ridotto del tubo semplifica la movimentazione in pozzi di lancio ristretti. Richiedono un'attenta progettazione dei giunti per garantire un adeguato trasferimento del carico sotto le forze di sollevamento.
• Tubi in calcestruzzo polimerico e HOBAS: I tubi in malta polimerica rinforzata con fibra di vetro (CCFRPM) colata centrifugamente combinano la resistenza chimica del polimero con la resistenza alla compressione necessaria per le applicazioni di sollevamento. Ampiamente utilizzato in applicazioni aggressive di fognatura e drenaggio industriale in tutta Europa e sempre più in altri mercati.

Considerazioni chiave sulla pianificazione del progetto prima di mobilitare una macchina per il sollevamento di tubi

I progetti di pipe jacking che incontrano seri problemi sul campo raramente sono sfortunati: sono quasi sempre il risultato di una pianificazione inadeguata, di indagini sul terreno insufficienti o di ipotesi non realistiche formulate durante la progettazione. I seguenti elementi di pianificazione meritano un'attenzione particolare prima che qualsiasi macchina per il sollevamento di tubi venga mobilitata sul posto.

• Ambito e qualità dell'indagine geotecnica: I fori dovrebbero essere distanziati ad intervalli adeguati alla variabilità del terreno del sito – in genere non più di 50 metri lungo il tracciato stradale per i progetti urbani – e dovrebbero estendersi ad almeno 3 diametri di tubo al di sotto del livello rovescio del foro proposto. I test di laboratorio dovrebbero includere la distribuzione delle dimensioni delle particelle, l'indice di plasticità, la resistenza al taglio non drenata, la resistenza alla compressione non confinata per le rocce e la chimica delle acque sotterranee laddove la corrosione dei tubi o dei componenti delle macchine costituisce un problema.
• Sondaggio sui servizi esistenti: Prima di finalizzare l'allineamento delle unità, è necessario completare un'indagine completa delle utenze utilizzando il georadar, la posizione elettromagnetica e un esame di tutti i registri delle utenze disponibili. Un servizio non rilevato che attraversa un pozzo attivo può avere conseguenze catastrofiche: gli scioperi del servizio sulle condutture del gas, sui cavi ad alta tensione o sulle condutture idriche in prossimità di una trasmissione sotto tensione sono tra i rischi più gravi nelle costruzioni urbane senza trincee.
• Progettazione fossa di lancio e accoglienza: La fossa di lancio deve essere abbastanza grande da ospitare il telaio di sollevamento, l'attrezzatura per la movimentazione dei tubi, il sistema di rimozione dei materiali e fornire un accesso di lavoro sicuro per l'equipaggio. Le dimensioni minime della fossa sono determinate dal diametro del tubo, dalla lunghezza della macchina e dalla corsa del martinetto. La fossa deve essere adeguatamente puntellata e drenata e la parete di spinta posteriore deve essere strutturalmente in grado di resistere alla massima forza di sollevamento prevista senza movimenti o cedimenti.
• Lunghezza e curvatura dell'azionamento: Ogni combinazione di tipo di macchina e materiale del tubo ha una lunghezza di guida massima ottenibile, oltre la quale le forze di sollevamento o le sollecitazioni sui giunti dei tubi diventano ingestibili. Allo stesso modo, sono possibili allineamenti curvi, ma introducono ulteriore complessità nella guida e aumentano i carichi di flessione dei giunti dei tubi. I percorsi che superano i 150 metri circa o che comprendono curve orizzontali o verticali devono essere valutati da un ingegnere specializzato in scavi prima di finalizzare la scelta della macchina.
• Monitoraggio del regolamento e valutazione del rischio: Per gli spostamenti al di sotto di strutture sensibili – binari ferroviari, edifici storici, spalle di ponti o strutture industriali operative – prima dell’inizio dell’avanzamento dovrebbe essere stabilito un programma di monitoraggio degli insediamenti utilizzando monumenti di rilevamento della superficie, livellamenti precisi e tiltmetri su strutture sensibili. I livelli di attivazione e di azione per la regolazione dei parametri della macchina o la sospensione della trasmissione dovrebbero essere concordati in anticipo con i proprietari delle infrastrutture interessate.

Problemi comuni durante il sollevamento dei tubi e come li gestiscono gli appaltatori esperti

Anche gli azionamenti di sollevamento tubi ben progettati incontrano problemi. Le condizioni del terreno raramente corrispondono esattamente ai dati del pozzo, l'usura o il malfunzionamento dei componenti della macchina e le ostruzioni impreviste sono una realtà della costruzione del sottosuolo urbano. La differenza tra un progetto che si riprende da questi eventi e uno che risulta in un macchinario bloccato o in una guida interrotta di solito dipende dall'esperienza dell'equipaggio e dalle misure di emergenza integrate nel piano di progetto.

Ostruzioni sul fronte del tunnel

Massi, ciottoli, vecchie fondamenta in muratura, cataste di legname e servizi dismessi sono tra gli ostacoli imprevisti più comuni incontrati durante le operazioni di sollevamento dei tubi nelle aree urbane. Negli azionamenti con diametro di ingresso presidiato, i lavoratori a volte possono abbattere le ostruzioni con utensili manuali o martelli pneumatici sotto la protezione dello scudo. Nei diametri di microtunneling più piccoli dove l'ingresso non è possibile, le opzioni di emergenza includono l'accesso d'intervento da uno scavo sopra la via d'accesso, il jet grouting con perforazione superficiale o l'iniezione di resina per stabilizzare il terreno attorno all'ostruzione o, in casi estremi, l'abbandono della via d'accesso e il recupero della macchina da un nuovo pozzo prima del blocco.

Eccessivo accumulo di forza di sollevamento

Quando le forze di sollevamento aumentano più velocemente del previsto, la prima risposta dovrebbe sempre essere quella di valutare e ottimizzare il programma di lubrificazione, aumentando il volume e la frequenza di iniezione, controllando che le porte di lubrificazione non siano bloccate e verificando che il vuoto anulare attorno ai tubi sia adeguatamente riempito. Se l’ottimizzazione della lubrificazione non arresta l’aumento della forza, il passo successivo è l’attivazione delle stazioni di sollevamento intermedie prima del previsto. Forzare una trasmissione bloccata applicando la massima spinta è raramente produttivo e rischia di danneggiare i giunti dei tubi, guasti ai componenti della macchina o sollevamento della superficie. Mettere in pausa la guida e lasciare che il terreno si rilassi leggermente attorno alla corda del tubo, combinato con una lubrificazione intensificata, spesso consente di ottenere maggiori progressi rispetto alla forzatura continua.

Deviazione offline

Le deviazioni della guida rilevate in anticipo sono gestibili: i cilindri dello sterzo possono correggere progressivamente la direzione della macchina nei successivi tratti di tubo senza creare angoli di giunzione inaccettabili. Le deviazioni che non vengono rilevate finché non diventano grandi sono molto più difficili da recuperare e possono provocare sollecitazioni sui giunti dei tubi, cedimenti superficiali in una posizione non prevista o potenziali conflitti con i servizi esistenti. La migliore difesa contro i problemi di deviazione è un rigoroso regime di monitoraggio – lettura e registrazione della posizione target della guida dopo ogni installazione del tubo, non solo all'inizio di ogni turno – e un protocollo d'azione chiaro per quali correzioni dello sterzo vengono applicate e con quale entità di deviazione.