Riccardo BagnagattiTimeco Srl

VIAGGIO TRA LE TECNOLOGIE COMPLEMENTARI A “MARTINA”, LA TUNNEL BORING MACHINE PIù GRANDE DEL MONDO CHE STA SCAVANDO LA SECONDA CANNA DELLA GALLERIA SPARVO SULLA VARIANTE DI VALICO, PER APPROfONDIRE UNA SERIE DI DOTAzIONI HIGH‑TECH CRUCIALI PER GARANTIRE IL RISPETTO DEI TEMPI E fAVORIRE IL COORDINAMENTO DEL MAxI‑INTERVENTO. SOTTO I RIfLETTORI: I SISTEMI DI CONTROLLO E MISURA DEI CONCI IN PRODUzIONE E DEGLI ANELLI POSTI IN OPERA CON L’AVANzAMENTO, NONCHé LA VERIfICA DELLO SPAzIO ALL’ESTRADOSSO DEL SINGOLO CONCIO.

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Scavo Meccanizzato

Tecniche avanzate di TBM controlVIAGGIO TRA LE TECNOLOGIE COMPLEMENTARI A “MARTINA”, LA TUNNEL BORING MACHINE PIù GRANDE DEL MONDO CHE STA SCAVANDO LA SECONDA CANNA DELLA GALLERIA SPARVO SULLA VARIANTE DI VALICO, PER APPROfONDIRE UNA SERIE DI DOTAzIONI HIGH‑TECH CRUCIALI PER GARANTIRE IL RISPETTO DEI TEMPI E fAVORIRE IL COORDINAMENTO DEL MAxI‑INTERVENTO. SOTTO I RIfLETTORI: I SISTEMI DI CONTROLLO E MISURA DEI CONCI IN PRODUzIONE E DEGLI ANELLI POSTI IN OPERA CON L’AVANzAMENTO, NONCHé LA VERIfICA DELLO SPAzIO ALL’ESTRADOSSO DEL SINGOLO CONCIO.

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 Dall’autunno del 2011 l’impresa Toto Costruzioni Gene‑rali è impegnata in una sfida tecnologica di grande ri‑lievo consistente nella realizzazione della galleria più

complessa e impegnativa di tutta la Variante di Valico‑trat‑ta Bologna‑Firenze (autostrada A1), maxiopera di Autostra‑de per l’Italia: la galleria “Sparvo”, coi suoi 5 km complessi‑vi a doppia canna. In questa sfida, come è noto, Toto è stata affiancata dalla tedesca Herrenknecht, che ha realizzato la TBM Martina, una maxifresa caratterizzata da numeri da re-cord (come evidenziamo nella scheda).Il tunnel a doppio canna che “Martina” sta realizzando (è at‑tualmente in corso lo scavo della seconda canna in direzio‑ne Sud) è particolarmente impegnativo, per le caratteristi‑che geo‑meccaniche del versante in cui la TBM s’innesta, le forti pressioni al fronte e la presenza di gas metano. Nel lu‑glio dello scorso anno sono stato completati i lavori di scavo e rivestimento dei 2.413 m in canna Nord alla media di 13 m al giorno, con un picco record di 22 m giornalieri e già nel mese di ottobre 2012 è stata completata con successo la ro‑totraslazione della TBM con la tecnologia dello spostamento su cuscini d’aria per poter rilanciare la TBM in direzione op‑posta. In questo modo le previsioni formulate all’inizio dello scavo restano confermate: la fine dei lavori dell’intera galle‑ria Sparvo è prevista entro l’estate 2013: un’ulteriore confer‑ma di come lo scavo meccanizzato, unito ad avanzati sistemi di monitoraggio e ad alti standard di sicurezza, rappresen‑ti il vero futuro nella costruzione di gallerie, sicuramente più sicuro e rapido di qualunque sistema di scavo tradizionale.Tali prestazioni sono ovviamente frutto dell’insieme coordi‑nato di diversi attori sia in termini di tecnologie applicate al massimo della loro espressione che in termini di competen‑ze messe in gioco dall’impresa a tutti i livelli, dal manageriale all’operativo. In questa sede vogliamo soffermarci in particola‑re su alcune tecnologie complementari alla TBM e intimamen‑te connesse ad essa che hanno permesso l’espressione di un

insieme di sforzi coordinati che si sono concretizzati (e si con‑cretizzano) nella realizzazione di un’opera così importante. Ci riferiamo, in particolare, ad alcune delle tecnologie fornite dal‑la casa tedesca VMT (gruppo HK) ‑ già fornitore del sistema di guida della TBM (sistema di navigazione) ‑ relativamente a:• controllo e misura dei conci prefabbricati durante la loro produzione;• controllo e misura degli anelli di conci posti in opera con l’avanzamento della TBM;• verifica dello spazio all’estradosso del concio/anello: tutto ciò al servizio dello scavo meccanizzato della galleria.Tra i diversi record conseguiti a Sparvo, infatti, occorre sot‑tolineare l’utilizzo di conci fabbricati di dimensioni ragguar‑devoli (peso: circa 17 ton; sviluppo dell’arco fino a 5 m; spessore 70 cm; larghezza: 2 m) unitamente al necessa‑rio approntamento di uno tra i più grandi impianti al mondo per la produzione di conci prefabbricati con una capacità pro‑duttiva giornaliera di prefabbricati per un volume di 570 m3. Tale impianto si è reso necessario per sostenere i tempi da record dello scavo meccanizzato della TBM e ha permesso la pre‑fabbricazione in cantiere di 80 conci al giorno, pari a 16 m di avanzamento giornalieri in galleria. I sistemi di misura VMT utilizzati hanno reso possibile un continuo controllo qualitati‑vo degli elementi modulari (conci) costituenti il rivestimento della galleria a partire dalla loro produzione per continuare durante la posa degli stessi (in forma di anello modulare) du‑rante l’avanzamento della TBM stessa. Questo attento e con‑tinuo controllo ha permesso di monitorare in continuo tutte le fasi inerenti agli elementi prefabbricati e adottare gli even‑

1. La TBM Martina nel cantiere Sparvo della Variante di Valico

2. Tra le dotazioni high‑tech della maxifresa, anche un sofisticato sistema dicontrollo della convergenza degli anelli

3, 4. L’imponente impianto di prefabbricazione dei conci a Sparvo

Martina, una fresa con i numeri

Diametro di scavo: 15,62 mLunghezza complessiva: 130 mSezione di scavo: 192 m2

Valore della spinta: 39.485 ton

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5. Rivestimento interno con conci e anelli

6. Schematizzazione della posa del rivestimento interno (segment lining)

7a, 7b. Controllo ottico VMT di conci e casseri

tuali aggiustamenti (ove necessario) in funzione delle misu‑re effettuate. Di seguito, forniremo una breve descrizione di quanto anticipato a partire dal controllo in fase di produzione dei conci nell’impianto di fabbricazione di Sparvo.

Controllo e misura di casseri e conciIl concetto alla base del “segment lining” è la costruzione di una galleria mediante la posa di elementi prefabbricati (con‑ci) a formare singoli anelli che, in successione, costituiscono il corpo strutturale ed il rivestimento della galleria. È quindi facile comprendere come il concio ‑ costituendo l’elemento costruttivo elementare ‑ sia oggetto di attenta e severa pro‑gettazione in base alla dimensioni di progetto della galleria (diametro int/est), alle sollecitazioni e carichi previsti e/o pre‑vedibili sia originatesi dalle operazioni di scavo stesse (e.g., reazione alla spinta della TBM) sia legate alla morfologia e stratigrafia del suolo di scavo. Essendo il concio peraltro un elemento prefabbricato e costruito in serie (si pensi che, per una galleria di 4 m di diametro e dello sviluppo longitudina‑le di 2 km occorrono orientativamente più di 20.000 conci), la buona progettazione dei conci costituisce solo l’inizio di un’importante serie di eventi che prosegue con la realizza‑

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zione in fabbrica degli stessi e il controllo di qualità necessa‑rio prima dell’utilizzo in galleria.A tale proposito il sistema sviluppato dalla VMT (ampiamen‑te utilizzato con successo sulla Variante di Valico) per il con‑trollo dimensionale ottico tramite laser sia dei conci che dei casseri è in grado di restituire numericamente e graficamen‑te la geometria tridimensionale degli stessi e l’eventuale de‑viazione dai valori/tolleranze di progetto. Il sistema permet‑te di misurare fino a 12 casseri o 18 conci nell’arco di 8 ore con la possibilità di misura dei segmenti anche in pila (fino a 2 m). Il sistema di misura è costituito principalmente da: una stazione laser portatile 3‑D, una testina‑target, e un PC con software specifico di elaborazione. La testina‑target vie‑ne opportunamente fatta scorrere su parti definite del con‑cio o del cassero di particolare rilievo per la determinazione della propria geometria e ne restituisce una misura lineare (distanza) e angolare che viene processata dal software. A questo punto il software confronta i dati geometrici di pro‑getto (CAD) precedentemente implementati nel PC con i dati rilevati restituendo come detto una ricostruzione tridimen‑sionale grafica che ne evidenzia le misure e le eventuali de‑viazioni. In questo modo tutte le misure geometriche line‑

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ari e angolari sono verificate con la precisione del decimo di millimetro. La differente colorazione nella restituzione grafi‑ca tridimensionale indica l’eventuale deviazione dalla tolle‑ranza ammessa (e ovviamente il valore e il senso) o la cor‑rispondenza al dato progettuale. A tale proposito, va detto che il sistema è dotato di una propria centralina di rilievo del‑le condizioni ambientali (temperatura, umidità e pressione dell’aria) per tenere conto sia delle influenze sul raggio laser di misura sia per compensare le dilatazione nell’acciaio (cas‑seri) e nel calcestruzzo (conci) e rendere quindi comparabili successive misurazioni nel tempo.In questo modo è possibile controllare (su singolo casse‑ro o concio):• lunghezza, larghezza e spessore in più punti dell’elemento;• lunghezza degli archi;• torsione dei piani;• raggi di curvatura di estradossi ed intradosso;• angoli ai punti di convergenza dei piani;• parallelismo dei piani.Parimenti, è possibile misurare e verificare dimensionalmen‑te (lineare e angolare) anche gli inserti e le sedi per i tiranti e le guarnizioni che costituiscono parte integrante del concio finito. Come ultima e interessante possibilità di elaborazio‑ne, le misure effettuate sui conci possono essere raggrup‑pate a formare modelli grafici virtuali degli anelli andando a evidenziare nel dettaglio micrometrico l’interferenza tra gli elementi costitutivi (singoli conci). L’utilizzo di tale sistema nella fabbrica dei conci di Sparvo, intervallato dalle classiche misure micrometriche meccaniche, ha permesso di guidare al meglio la produzione in serie dei conci (al ritmo di 8 anel‑li/80 conci giornalieri) consentendo un continuo controllo di qualità, suggerendo e guidando accorgimenti produttivi fino a raggiungere un livello produttivo quali‑qualitativo d’eccel‑lenza facilmente osservabile già alla vista di un occhio esper‑to e concretizzatosi nel montaggio in galleria secondo le in‑dicazioni di progetto.

Obiettivo sul Ring Convergence  Measuring System (RCMS)Come anticipato, durante la costruzione di una galleria con rivestimento a conci un gran numero di forze di origine na‑turale (terreno di escavazione) e/o indotte dallo scavo stes‑so (reazione alla spinta della TBM) agiscono sul tunnel in via di costruzione. A queste forze corrispondono potenziali de‑formazioni dell’elemento elementare di costruzione del tun‑nel (anello di conci) che vanno opportunamente controllate; ciò per assicurarsi che l’anello progettato e costruito tenen‑do in conto le suddette forze agenti, non sia soggetto a cari‑chi non previsti e si possa ‑ nel caso si presentassero ‑ prov‑vedere con adeguate soluzioni tecniche. In questo senso, la VMT ha approntato un sistema di misurazione della conver‑genza degli anelli (sistema RCMS) in grado di operare sia ap‑pena installato ciascun anello in galleria, sia successivamen‑te nel corso dello scavo che, infine, a galleria già conclusa; non solo: installando un prisma di riferimento (SRP) è possi‑bile determinare anche il movimento assoluto di un anello e quindi tenere sotto controllo man mano ogni elemento mo‑dulare (anello) della galleria in costruzione. Il sistema RCMS

8a, 8b, 8c. Resituzione grafica tridimensionale della misura di conci e casseri con evidenziazione di punti fuori tolleranza e/o interferenze sul modello di anello assemblato

9. Sistema di controllo convergenza anelli

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senza la necessità di personale (condizione di sicurezza). Gli elementi misuratori, operando in condizioni ambientali par‑ticolari sono dotati di protezioni adeguate (che si aprono sol‑tanto al momento della misura) e di protezioni IP54 per ac‑qua e polvere. Il sistema interfacciato opportunamente con il sistema di navigazione e il sistema di sequencing dei conci (Ring Sequencing) formanti ciascun anello consente il con‑trollo accurato e costante della posa degli anelli durante lo scavo della galleria e assicura i presupposti per l’avanzamen‑to della TBM lungo la traiettoria di progetto.

ConclusioniCon questa descrizione abbiamo concluso la sintetica presen‑tazione di sistemi di misura che ‑ come sottolineato all’inizio dell’articolo ‑ costituiscono un complemento importante allo scavo con TBM. Nel momento in cui il fronte delle possibili‑tà di scavo meccanizzato continua a evolversi permettendo sempre nuove e stimolanti sfide per gli operatori del settore, siano essi costruttori o imprese (per esempio, in termini di diametro di scavo o di condizioni critiche di contorno), le tec‑nologie ausiliarie a sostegno della fresa non ricoprono il solo ruolo di elementi accessori ma sempre più quello di comple‑menti di importanza critica per l’ottimale utilizzo della fresa e della realizzazione dell’opera stessa. L’esperienza condivi‑sa con l’impresa Toto nella realizzazione della galleria Spar‑vo ha evidenziato in questo senso l’importanza di un siste‑ma integrato (impresa, costruttori, tecnologie e applicazioni) nella realizzazione di una delle opere più qualificanti nel pa‑norama costruttivo attuale. nn

Un ringraziamento a Herrenknecht e VMT, di cui Timeco è rappresentante per il mercato italiano, per il materiale illu-strativo utilizzato a corredo dell’articolo.

si basa sull’installazione di un inclinometro su ogni concio co‑stituente l’anello; la variazione di inclinazione di ciascun in‑clinometro rispetto agli altri permette di definire la deforma‑zione dell’anello come variazione di angolo tra i vari conci. Un software di calcolo permette successivamente di trasforma‑re questi angoli in distanze (schiacciamenti o spanciamenti dell’anello) in riferimento ad un sistema di coordinate spazia‑li. In condizioni statiche, l’accuratezza del sistema di misura è nell’ordine di pochi decimi di millimetro permettendo quin‑di facilmente il rilievo di deformazioni già nell’ordine del milli‑metro. Occorre notare che il sistema agisce ad intervalli pre‑scelti durante la fase di scavo senza richiedere interruzioni se non per l’installazione degli inclinometri.Da non sottovalutare anche che tale sistema ‑ come già ri‑cordato ‑ abbinato a un prisma di riferimento e opportuna‑mente interfacciato con il sistema di navigazione della TBM, è in grado di monitorare la posizione assoluta dell’anello e quindi verificare, per esempio, che una determinata posizio‑ne nel tunnel si possa considerare certa ed immobile rispet‑to a punti topografici esterni (punti topografici di riferimento all’interno del tunnel), indicazione spesso di primaria impor‑tanza anche per la navigazione stessa della TBM.

Automatic Tail Skin Clearance (SLUM)Allo scopo della realizzazione di una galleria con scavo mec‑canizzato è assolutamente fondamentale e ovvia la necessi‑tà di un buon sistema di guida della TBM (solitamente inte‑grato in essa) per assicurare il perfetto allineamento con la linea di progetto (d.t.a., determinated tunnel axis). In questo senso, però, non solo il sistema di guida della TBM e quindi la determinazione della sua posizione risulta importante ma anche il rilievo dello spazio tra scudo (coda) e anello diventa un fattore determinante; ciò in particolare in presenza di li‑nee di progetto curve e quindi con l’uso di conci conici. L’ot‑timale posizionamento degli anelli diventa un fattore decisi‑vo per il processi di esecuzione del tunnel. La misura del gap esistente tra l’ultimo anello assemblato e l’asse della coda della TBM viene usato per:• determinare il centro dell’ultimo anello assemblato;• elaborare ‑ insieme al precedente dato ‑ la corretta sequen‑za e posizionamento dei conci formanti il successivo anello (ring sequencing).L’accuratezza di tale misura evita di introdurre nel sistema di guida e di sequencing valori errati (o imprecisi) che pos‑sono portare anche a pregiudizi dei conci/anelli stessi (per errata determinazione della composizione degli stessi all’in‑terno dell’anello). Tale sistema, oltre alla precisione intrinse‑ca del rilievo, è completamente automatizzato e non richie‑de l’intervento di personale in zone potenzialmente a rischio (zona dell’erettore) e/o la possibilità di errori di trasferimen‑to del dato ottenuto da misure manuali.Il sistema prevede 5 puntatori laser (distanziometro ottico) che sono montati in punti critici e definiti dell’erettore. Da queste posizioni vengono effettuate le misure distanziome‑triche che permettono di risalire al gap tra coda della TBM ed estradosso anello. Tali misure vengono immediatamente e automaticamente trasferite al sistema di controllo della TBM. Il sistema è gestito completamente da una quadro‑rilievo

10. Sistema SLUM per il controllo dello spazio estradosso

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