Macchina per il sollevamento di tubi da roccia: guida completa a tipi, sistemi di taglio e selezione del progetto

Che cos'è una macchina per il sollevamento di tubi da roccia e perché le condizioni della roccia richiedono attrezzature specialistiche

Una macchina per il sollevamento di tubi da roccia è un'attrezzatura specializzata da costruzione senza scavi progettata per perforare formazioni rocciose dure o miste installando contemporaneamente una serie di tubi dietro di essa, utilizzando le forze di sollevamento idrauliche applicate da un albero di lancio per spingere l'intera serie di tubi e la macchina in avanti attraverso il terreno. La macchina scava la parete rocciosa nella parte anteriore del pozzo, rimuove i detriti attraverso la serie di tubi installata e mantiene la linea e la pendenza precise richieste per la tubazione finita, il tutto senza scavi aperti in superficie. Le macchine per il sollevamento di tubi da roccia sono l'attrezzatura ideale per l'installazione di fognature a gravità, condutture idriche, gasdotti e condotti per cavi sotto strade, ferrovie, fiumi e infrastrutture urbane dove l'interruzione della superficie è vietata o impraticabile e dove le condizioni del terreno includono roccia troppo dura o abrasiva per essere gestita dalle attrezzature standard per il sollevamento di tubi per terreni morbidi.

La distinzione tra una macchina standard per il sollevamento di tubi e una progettata specificatamente per condizioni rocciose è fondamentale. Le macchine per microtunneling su terreni morbidi utilizzano la pressione del liquame o il bilanciamento della pressione del terreno per sostenere la facciata del tunnel e impiegano frese a disco o picconi adatti al terreno e alla roccia debole. Nella roccia dura competente (granito, basalto, quarzite, arenaria o calcare con resistenza alla compressione non confinata (UCS) superiore a 80-100 MPa) questi utensili da taglio si usurano rapidamente, la velocità di scavo scende a livelli inaccettabili e la macchina potrebbe bloccarsi se il terreno si autosupporta senza la pressione del fluido su cui fa affidamento la macchina. A macchina per il sollevamento di tubi da roccia affronta tutte queste sfide con teste di taglio appositamente progettate che trasportano frese a disco o punte a bottone adatte per roccia dura, cuscinetti principali robusti e sistemi di trasmissione in grado di sostenere gli elevati carichi di spinta e coppia richiesti dallo scavo nella roccia e spesso una modalità di lavoro a cielo aperto o atmosferica adeguata alle condizioni della roccia autoportante.

Come funzionano le macchine per il sollevamento di tubi da roccia: il processo completo

Il processo di spinta del tubo nella roccia segue la stessa sequenza fondamentale del terreno più soffice, ma ogni fase prevede attrezzature e procedure adattate alle sfide dello scavo nella roccia dura. Comprendere l'intero processo chiarisce cosa deve fare la macchina e perché i suoi vari sistemi sono progettati in questo modo.

Preparazione dell'albero di lancio e configurazione della macchina

Il processo inizia con la costruzione di un pozzo di lancio, uno scavo verticale dal quale la macchina viene abbassata e la catena di tubi fatta avanzare. Nelle formazioni rocciose, i pozzi di lancio sono spesso formati mediante perforazione e brillamento o mediante taglio con sega da roccia e devono essere di dimensioni sufficienti per accogliere il telaio di sollevamento, la parete di spinta e le prime sezioni di tubo da installare. La parete di spinta, una struttura in cemento armato o acciaio appoggiata alla parete posteriore del pozzo, deve essere progettata per resistere all'intera forza di spinta applicata durante l'azionamento, che in condizioni di roccia dura può raggiungere diverse centinaia di tonnellate anche per fori di diametro moderato. La macchina viene abbassata nel pozzo, posizionata sul telaio di sollevamento alla linea e alla pendenza corrette e collegata ai sistemi di trascinamento (linee del liquame, alimentazione elettrica, cavi dati e trasportatore di rimozione dei residui o tubo del liquame) prima che inizi la perforazione.

Scavo in roccia alla testa fresante

La testa di taglio ruota contro la parete rocciosa sotto l'effetto combinato della forza di spinta applicata dal sistema di sollevamento e della coppia dei motori di azionamento della testa di taglio. Nella roccia dura, l'azione di taglio primaria viene eseguita da frese a disco: ruote in acciaio temprato che rotolano sulla parete rocciosa sotto carichi puntuali elevati, inducendo fratture da trazione che scheggiano la roccia tra i percorsi di taglio adiacenti. La spaziatura, il diametro e il carico sulla punta delle frese a disco sono progettati per il tipo di roccia specifico e per l'UCS: le rocce più dure e abrasive richiedono frese di diametro maggiore e più ravvicinate con inserti in metallo duro di qualità superiore per ottenere tassi di penetrazione e durata della fresa accettabili. La roccia più morbida o fratturata può essere tagliata in modo più efficiente con i denti a trascinamento o con teste di taglio combinate che trasportano sia frese a disco che denti per condizioni di terreno misto.

Rimozione del bottino dal foro

I detriti di roccia generati dalla testa di taglio devono essere trasportati indietro attraverso la tubazione installata fino all'albero di lancio per la rimozione. Nelle macchine per il sollevamento di tubi da roccia in modalità liquame, l'acqua o il liquame di bentonite viene pompato nella testa di taglio, dove si mescola con i frammenti di roccia e viene pompato indietro come liquame in un impianto di separazione in superficie. Questo metodo gestisce in modo efficiente le particelle di roccia fine e i piccoli trucioli, ma richiede una velocità del liquame sufficiente per trasportare i frammenti di roccia più grossolani prodotti nella roccia dura, una considerazione che influisce sul dimensionamento della pompa del liquame e sul diametro della tubazione. In alcune configurazioni di sollevamento di tubi da roccia, in particolare in rocce competenti autoportanti, viene utilizzato il trasporto meccanico (un trasportatore a coclea o un trasportatore a trascinamento che corre attraverso la catena di tubi) al posto del trasporto dei liquami, eliminando la necessità di un impianto di separazione e semplificando le operazioni del sito.

Installazione del tubo e sequenza di sollevamento

Man mano che la macchina avanza, le sezioni dei tubi vengono abbassate nel pozzo di lancio e aggiunte alla parte posteriore della catena di tubi, che viene spinta in avanti dal telaio di sollevamento principale. Ogni corsa di sollevamento fa avanzare la corda di una lunghezza del tubo, in genere da 1,0 a 3,0 metri a seconda del diametro del tubo e della profondità dell'albero. Il telaio di sollevamento quindi si ritrae, un nuovo tubo viene abbassato e posizionato e inizia la corsa successiva. Le stazioni di sollevamento intermedie - martinetti idraulici installati tra le sezioni del tubo a intervalli lungo la trasmissione - vengono utilizzate su trasmissioni più lunghe per ridurre il carico di attrito cumulativo che altrimenti richiederebbe al telaio di sollevamento principale di spingere l'intera lunghezza della stringa di tubi, che nelle trasmissioni da roccia può raggiungere diverse migliaia di tonnellate su fori lunghi.

Controllo dello sterzo e della pendenza

Il mantenimento della linea e della pendenza specificate attraverso la roccia richiede un sistema di sterzo in grado di superare le tendenze direzionali che l'anisotropia della roccia e i modelli di frattura possono imporre alla macchina. Le macchine per il sollevamento di tubi da roccia utilizzano scudi articolati con cilindri di sterzo idraulici che deviano la sezione anteriore della macchina rispetto al tubo di trascinamento, consentendo di apportare correzioni continue durante la guida. Un teodolite laser o un sistema di guida giroscopico monitora la posizione della macchina rispetto all'allineamento del progetto, con dati in tempo reale visualizzati presso la stazione di controllo della superficie. Nella roccia dura, le correzioni dello sterzo devono essere applicate gradualmente (regolazioni brusche dello sterzo su terreno rigido possono causare danni ai giunti dei tubi o maggiori carichi di attrito) e la geometria dello sterzo della macchina deve essere adattata al diametro del tubo e alla tolleranza del giunto per evitare sollecitazioni eccessive sulla tubazione durante i cambi di direzione.

Tipi di teste di taglio per diverse condizioni rocciose

La testa di taglio è il componente determinante di una macchina per il sollevamento di tubi da roccia: il suo design determina se la macchina può scavare la roccia target in modo efficace, quanto velocemente si verifica l'usura della taglierina e come si comporta la macchina in condizioni di terreno misto. Selezionare o specificare la corretta configurazione della testa di taglio per le condizioni del terreno è una delle decisioni più critiche nella pianificazione del progetto.

L'ispezione della taglierina e l'accesso per la sostituzione sono aspetti critici della progettazione delle macchine per il sollevamento di tubi da roccia. Nelle macchine di diametro maggiore (tipicamente DN 1200 e superiore), è possibile per il personale entrare nella camera della testa di taglio in condizioni atmosferiche sicure su roccia autoportante per ispezionare e sostituire le frese usurate durante la guida. Nelle macchine di diametro inferiore, la sostituzione della taglierina richiede la retrazione della macchina sull’albero di lancio – una notevole riduzione di tempo e costi – oppure l’utilizzo di sistemi di cambio taglierina azionati a distanza che consentono la sostituzione degli strumenti usurati senza l’intervento dell’uomo. La fattibilità e il costo della sostituzione della fresa dovrebbero essere presi in considerazione nella pianificazione della guida, in particolare per i viaggi lunghi su roccia altamente abrasiva dove i tassi di consumo della fresa sono elevati.

Calcoli della forza di sollevamento e stazioni di sollevamento intermedie

La forza di sollevamento totale necessaria per far avanzare una macchina per il sollevamento di tubi da roccia è uno dei parametri più importanti nella pianificazione del progetto: determina la capacità del telaio di sollevamento principale, il progetto strutturale della parete di spinta, la resistenza richiesta delle sezioni del tubo e se sono necessarie stazioni di sollevamento intermedie. Sottovalutare la forza di sollevamento porta allo stallo delle trasmissioni, al danneggiamento dei tubi in caso di spinta eccessiva o all'impossibilità di completare progetti.

La forza di sollevamento totale è la somma della resistenza frontale (la forza richiesta per far avanzare la testa di taglio attraverso la roccia) e dell'attrito della pelle lungo l'intera lunghezza della batteria di tubi installata. La resistenza frontale nella roccia è principalmente una funzione dell'UCS della roccia, dell'area della testa di taglio e della configurazione della fresa. L'attrito della pelle è determinato dallo spazio anulare tra il diametro esterno del tubo e il foro, dalla dimensione del sovrataglio, dall'efficacia dell'iniezione di lubrificante e dalla rugosità della superficie del tubo. Nel sollevamento di tubi da roccia, il diametro del foro di trivellazione viene generalmente tagliato leggermente più grande del diametro esterno del tubo (il sovrataglio) per ridurre l'attrito della pelle e fornire spazio per l'iniezione di lubrificazione anulare. Un tipico sovrataglio per condizioni rocciose è compreso tra 20 e 50 mm di raggio, a seconda della qualità della roccia e della lunghezza della guida.

Le stazioni di sollevamento intermedie (IJS), chiamate anche interjack, sono gruppi di martinetti idraulici installati tra le sezioni di tubo a intervalli calcolati lungo la trasmissione. Consentono di dividere la trasmissione in segmenti più brevi, ciascuno spinto in avanti dalla stazione di sollevamento più vicina, in modo che nessuna singola sezione del tubo sopporti l'attrito cumulativo dell'intera lunghezza di trasmissione. Per le operazioni di sollevamento di tubi da roccia che superano i 150-200 metri in condizioni tipiche, gli IJS sono quasi sempre necessari. La spaziatura dell'IJS è determinata dal carico di sollevamento massimo consentito sulla sezione del tubo: i produttori dei tubi specificano le forze di sollevamento massime consentite per i loro prodotti e la spaziatura dell'IJS deve garantire che questa forza non venga superata in nessun punto dell'azionamento nelle peggiori condizioni di attrito.

Lubrificazione e iniezione anulare nel sollevamento di tubi da roccia

La lubrificazione dello spazio anulare tra la batteria di tubi e la parete del pozzo è essenziale in tutti gli azionamenti di sollevamento dei tubi, ma presenta caratteristiche specifiche in condizioni rocciose rispetto alle applicazioni su terreni morbidi. Nel terreno soffice, l'impasto liquido di bentonite iniettato attraverso le porte della tubazione riempie l'anello e riduce l'attrito della pelle fornendo un mezzo lubrificante a basso taglio. Nella roccia, la parete autoportante del foro di trivellazione fa sì che il lubrificante non debba fornire supporto alla facciata, ma svolge comunque la funzione critica di ridurre l'attrito di contatto tra tubo e roccia e impedire che la serie di tubi si blocchi nel foro se l'azionamento viene fermato per un certo periodo.

L'iniezione di lubrificazione nelle trasmissioni da roccia utilizza malta lubrificante a base di bentonite o polimero iniettata attraverso più porte di iniezione distribuite lungo la catena di tubi. La pressione di iniezione deve essere sufficiente a riempire lo spazio anulare e spostare eventuali falde acquifere o parti fini di roccia, ma non così elevata da provocare la fratturazione idraulica della roccia circostante o fuoriuscire lungo piani di frattura nella superficie del terreno o nelle strutture adiacenti. Il monitoraggio dei volumi di iniezione e delle pressioni in ciascuna porta durante la guida fornisce informazioni sulla qualità del riempimento anulare e avvisa l'operatore dei punti in cui il tubo è a diretto contatto con la parete del foro, una condizione che aumenta l'attrito e il rischio di usura.

Al termine della guida, lo spazio anulare viene generalmente stuccato con una malta di cemento-bentonite o PFA-cemento per fornire un supporto permanente al tubo e riempire eventuali vuoti che potrebbero altrimenti causare assestamenti nel terreno sovrastante. Nelle rocce competenti in cui il foro è completamente autoportante, questa fase di iniezione può essere omessa per impianti di piccolo diametro, ma è una pratica standard per diametri maggiori e in rocce con qualsiasi grado di fratturazione o alterazione causata dagli agenti atmosferici che potrebbe comportare nel tempo il progressivo allentamento dei blocchi nello spazio anulare.

Requisiti di indagine a terra per progetti di spinta di tubi da roccia

Il successo di un progetto di sollevamento di tubi da roccia dipende in larga misura dalla qualità delle indagini sul terreno effettuate prima della selezione della macchina e della pianificazione del progetto. Le condizioni della roccia sono notoriamente variabili su brevi distanze e i parametri che influenzano maggiormente le prestazioni della macchina – UCS, indice di abrasività, frequenza di frattura e presenza di zone a pareti miste – non possono essere dedotti in modo affidabile dalla mappatura della superficie o dai dati sparsi dei fori di trivellazione. Un'indagine del terreno inadeguata è la causa più comune di arresti imprevisti delle macchine, di un consumo delle frese molto superiore alle previsioni e di superamenti dei costi di progetto per il sollevamento di tubi da roccia.

• Perforazione di fori lungo l'allineamento dell'azionamento: I fori rotanti con carotaggio a una distanza massima di 50 metri lungo l'allineamento della propulsione, recuperando campioni continui di carotaggio per la registrazione e le prove di laboratorio, sono il requisito minimo per un modello del terreno significativo. Per ogni analisi è necessario registrare la percentuale di recupero del nucleo, la designazione di qualità della roccia (RQD) e la frequenza di frattura per metro. Per gli azionamenti in terreni geologicamente complessi, una distanza più ravvicinata tra i pozzi è giustificata dal costo dei fermi macchina che possono causare dati inadeguati.
• Prove di laboratorio su roccia: I campioni del nucleo devono essere testati per la resistenza alla compressione non confinata (UCS) secondo gli standard ISRM o ASTM, la resistenza alla trazione brasiliana, l'indice di carico puntuale e l'indice di abrasività Cerchar (CAI) o equivalente. Il CAI è particolarmente importante per la stima del consumo delle frese: le rocce altamente abrasive (CAI superiore a 3,0) possono consumare le frese a disco a velocità da tre a cinque volte superiori rispetto ai materiali moderatamente abrasivi, influenzando notevolmente l’economia del progetto.
• Valutazione idrogeologica: Le condizioni delle acque sotterranee lungo il percorso influiscono sulla progettazione del sistema di rimozione dei detriti, sul metodo di costruzione del pozzo e sul rischio di intrusione di acque sotterranee in rocce fratturate o carsiche. I livelli di acqua stagnante nei pozzi trivellati e le prove sui packer per caratterizzare la permeabilità dovrebbero essere inclusi nel programma di indagine del terreno per tutti i percorsi in cui è prevista la presenza di acqua sotterranea.
• Identificazione della condizione del volto misto: Le zone di transizione tra la roccia e il terreno sovrastante, le interfacce delle rocce esposte agli agenti atmosferici e gli argini o i contatti di intrusione all'interno dell'ammasso roccioso rappresentano le condizioni di rischio più elevato per le macchine per il sollevamento di tubi da roccia. L'indagine sul terreno dovrebbe tentare specificamente di caratterizzare queste zone di transizione e identificare le loro probabili posizioni lungo il percorso per consentire specifiche appropriate delle teste di taglio e una pianificazione anticipata della velocità in queste sezioni.

Specifiche chiave da confrontare quando si seleziona una macchina per il sollevamento di tubi da roccia

Quando si valutano le macchine per microtunneling da roccia e le attrezzature per il sollevamento di tubi da roccia dura per un progetto specifico, i seguenti parametri di specifica sono i più importanti da confrontare tra fornitori e modelli:

Problemi comuni negli azionamenti per tubi da roccia e come prevenirli

Anche i progetti di sollevamento di tubi da roccia ben pianificati incontrano sfide operative. Comprendere i problemi più comuni e le relative cause aiuta i team di progetto a implementare misure preventive e a rispondere in modo efficace quando si presentano problemi.

• Inceppamento della testa di taglio su frammenti di roccia di grandi dimensioni: Nella roccia fratturata, i blocchi più grandi dell'apertura della testa di taglio possono incastrarsi contro la testa di taglio, bloccando la rotazione. La prevenzione richiede che la dimensione dell'apertura della testa di taglio corrisponda alla dimensione del blocco prevista dalla caratterizzazione dell'ammasso roccioso e che la testa di taglio abbia una riserva di coppia sufficiente per liberarsi da piccoli inceppamenti. Alcune macchine per il sollevamento di tubi da roccia includono la rotazione reversibile della testa di taglio specifica per liberare frese o frammenti inceppati.
• Afflusso di acque sotterranee in zone fratturate: Una roccia altamente fratturata con un carico idraulico significativo può produrre un rapido afflusso di acque sotterranee nel pozzo quando la macchina interseca una zona di frattura di falde acquifere. La prevenzione richiede una valutazione idrogeologica prima della guida e, laddove vengono identificate zone ad alto rischio, la pre-iniezione dalla superficie o dall'interno della catena di tubi per ridurre la permeabilità prima che la macchina raggiunga la zona. Su tutte le strade in roccia potenzialmente acquitrinosa dovrebbero essere disponibili attrezzature per la sigillatura frontale di emergenza.
• Blocco della guida dovuto all'attrito del tubo: Se un azionamento viene fermato per un periodo prolungato (per manutenzione, cambio taglierina o guasto dell'attrezzatura), la catena di tubi può bloccarsi nel foro mentre la malta lubrificante si consolida contro il tubo. La prevenzione richiede il mantenimento di volumi di iniezione di lubrificazione regolari, l'esecuzione di brevi corse di sollevamento per mantenere la stringa di tubi in movimento durante eventuali arresti pianificati e la predisposizione di piani di emergenza per la rimobilizzazione di emergenza in caso di arresto non pianificato. Le stazioni di sollevamento intermedie dovrebbero essere attivate per interrompere l'attrito nei segmenti piuttosto che tentare di liberare l'intera corda con il telaio di sollevamento principale.
• Deviazione della guida in rocce altamente anisotrope: Le rocce con forte foliazione, lettiera o gruppi di giunti inclinati rispetto alla direzione di guida esercitano forze laterali sulla testa di taglio che possono spingere la macchina fuori allineamento prima che vengano applicate le correzioni dello sterzo. La prevenzione richiede un monitoraggio frequente della guida – idealmente un tracciamento automatizzato continuo – e regolazioni proattive dello sterzo piuttosto che correzioni reattive dopo che si è verificata una deviazione significativa. Nelle sezioni di roccia anisotropa note, la riduzione della velocità di avanzamento consente un maggiore controllo sulla direzione della macchina.
• Intasamento della tubazione del liquame dovuto a residui grossolani: Nella roccia dura, l'azione di scheggiatura della fresa a disco produce frammenti irregolari che possono essere significativamente più grossolani di quelli che i sistemi di liquame di taglio di terreni morbidi sono progettati per trasportare. I blocchi nella linea di ritorno del liquame causano un rapido arresto della trasmissione e possono essere difficili da eliminare attraverso la serie di tubi installata. La prevenzione richiede di garantire che la velocità del liquame e il diametro del tubo siano adeguati alle dimensioni previste del truciolo, installando punti di pulizia accessibili nel circuito del liquame e monitorando continuamente il volume del flusso di ritorno e la pressione della pompa per rilevare ostruzioni parziali prima che diventino ostruzioni complete.

Selezione della giusta macchina per il sollevamento di tubi da roccia per il tuo progetto

Adattare le specifiche della macchina alle condizioni specifiche del terreno, alla geometria di azionamento e ai vincoli di progetto di ciascun progetto di sollevamento di tubi da roccia è essenziale per ottenere il risultato richiesto nell'ambito del programma e del budget. Le seguenti domande forniscono un quadro strutturato per il processo di selezione:

• Qual è l'UCS massimo e l'indice di abrasività Cerchar della roccia target? Questi due parametri insieme determinano le specifiche della taglierina richieste e il tasso di consumo previsto della taglierina. Una macchina classificata per roccia UCS da 150 MPa non deve essere utilizzata in granito a 250 MPa: verificare che la classificazione UCS di progettazione della macchina corrisponda o superi i dati dell'indagine sul terreno con un margine di sicurezza adeguato.
• Qual è la lunghezza dell'azionamento e il diametro del tubo? La lunghezza della trasmissione determina se sono necessarie stazioni di sollevamento intermedie e influisce sulla capacità minima del telaio di sollevamento principale necessaria. Il diametro del tubo determina il diametro del foro, il diametro della testa di taglio, le dimensioni della macchina e se è possibile l'ispezione della taglierina con ingresso uomo, in genere fattibile solo al di sopra di DN 1.000-1.200 circa, a seconda del design della macchina.
• Sono previste condizioni di faccia mista? Se la trasmissione attraversa zone in cui la roccia è ricoperta o intercalata da materiale più morbido, è necessaria una combinazione di testa di taglio e macchina in grado di funzionare sia in modalità roccia a superficie aperta che in modalità bilanciamento della pressione del terreno a superficie chiusa o modalità liquame. Conferma le capacità della macchina in particolare in condizioni di terreno misto, non solo su roccia pura.
• Quali sono i vincoli del sito sulle dimensioni del pozzo e sull'impronta della superficie? Le attrezzature per il sollevamento di tubi da roccia (telaio di sollevamento, impianto di liquame, movimentazione dei rifiuti) richiedono una superficie significativa attorno al pozzo di lancio. Confermare che la configurazione dell'attrezzatura proposta dal fornitore si adatti all'ingombro disponibile del sito, compreso l'accesso sicuro per le operazioni della gru alle sezioni inferiori del tubo e per i movimenti delle cisterne per liquame.
• Che esperienza ha il fornitore in condizioni rocciose comparabili? Richiedi referenze di progetti specifici per il sollevamento di tubi da roccia in geologia comparabile: gamma UCS, tipo di roccia, lunghezza di guida e diametro. Un fornitore con una vasta esperienza nel microtunneling su terreni morbidi ma un'esperienza limitata nella roccia dura è una scelta a rischio più elevato per un'attività su roccia impegnativa rispetto a uno con più progetti su roccia completati in condizioni simili. Richiedi casi di studio inclusi i tassi di penetrazione raggiunti e i dati sul consumo di taglierine, non solo la conferma del completamento del progetto.