Come scegliere un perforatore idraulico per la costruzione di gallerie? Metodo professionale

Il costo di una scelta errata del perforatore rotativo nella costruzione di gallerie si manifesta in una voce contabile che la maggior parte dei processi di approvvigionamento non monitora: il volume di sovrascavo per ciclo. Un perforatore rotativo non adeguato alla sezione trasversale della galleria, alla formazione rocciosa o alla profondità dei fori genera uno schema di esplosione con una distribuzione irregolare del burden: la carica per foro deve spostare una quantità di roccia maggiore o minore rispetto a quella progettata, i fori perimetrali producono pareti irregolari e il volume di calcestruzzo o calcestruzzo proiettato necessario per riempire il sovrascavo viene fatturato ad ogni ciclo per l’intera durata del progetto. In una galleria stradale lunga 5 chilometri con una media di 100 cicli, anche soltanto 0,1 m³ di sovrascavo in eccesso per ciclo comporta un ulteriore volume di 10 m³ di calcestruzzo non previsto nel budget.

Questo è l’impatto operativo legato alla scelta del perforatore rotativo per le attività di scavo di gallerie. Le decisioni tecniche riguardano l’accuratezza dei fori, la costanza del tasso di penetrazione in presenza di geologie variabili e l’affidabilità delle prestazioni in condizioni di utilizzo continuativo, non i valori massimi di energia di percussione indicati sul foglio tecnico.

La sezione trasversale della galleria determina la configurazione del braccio, che a sua volta determina la classe del perforatore

Il punto di partenza è la sezione trasversale della galleria, non il tipo di roccia. La sezione trasversale determina quanti bracci ha bisogno il jumbo, il che a sua volta determina i vincoli geometrici dell’ingombro meccanico del perforatore. Per gallerie di piccole dimensioni inferiori a 20 m² (aderenze minerarie strette, piccole testate di accesso), una macchina monobraccio deve raggiungere tutti i fori da una singola posizione del carrello senza dover essere riposizionata: il perforatore deve quindi essere sufficientemente compatto per adattarsi alla geometria del braccio corto, senza tuttavia sacrificare l’energia di percussione. Per gallerie stradali di sezione superiore a 80 m², un jumbo a due o tre bracci consente la perforazione simultanea in più zone della fronte; in questo caso la scelta del perforatore dipende dal corretto abbinamento della classe di percussione al tipo di roccia, mentre il braccio si occupa della copertura geometrica.

La conseguenza pratica: in una sezione trasversale di una galleria ferroviaria di 6×7 m (42 m²), un jumbo a due bracci con perforatrici di classe media (80–150 J) supera generalmente un impianto a singolo braccio con perforatrice pesante, poiché il jumbo a due bracci completa lo schema frontale di 80–120 fori dal 40 al 60% più velocemente per ogni posizionamento. L’energia percussiva aggiuntiva della perforatrice pesante va sprecata se il fattore limitante è il tempo di riposizionamento tra un foro e l’altro, non la velocità di penetrazione all’interno di ciascun foro.

Classificazione delle formazioni rocciose per la scelta della perforatrice per gallerie

La geologia della galleria cambia continuamente lungo il tracciato: in alcuni tratti risulta più dura del previsto, in altri più tenera e maggiormente fratturata. La perforatrice deve garantire prestazioni adeguate su tutta la gamma di condizioni riscontrate, non solo nella classe di formazione rocciosa prevista in progetto. Nei cantieri in cui viene specificata una perforatrice ottimizzata per la geologia più frequente (modale) e si incontra successivamente uno sviluppo di 40 m di granito con resistenza a compressione di 180 MPa — mentre la formazione progettuale era costituita da calcare con resistenza a compressione di 100 MPa — si registrano cali significativi della velocità di penetrazione che ritardano l’intero cronoprogramma del progetto.

Il criterio di selezione appropriato per tunnel in geologia variabile: scegliere la classe di perforatrici per il 20% più duro delle formazioni previste, non per la media. Il margine di prestazione su terreni più morbidi è assorbito da una velocità di penetrazione superiore alla stima progettuale — un problema gradito. Il deficit di prestazione su terreni più duri rispetto a quelli previsti dal progetto è compensato da ritardi.

Matrice di selezione delle perforatrici per applicazioni in tunnel

Precisione del foro: La metrica di prestazione specifica per il tunneling

Nella perforazione superficiale, la deviazione del foro in profondità è rilevante per la geometria della carica esplosiva, ma può spesso essere compensata nella progettazione della carica. Nella costruzione di gallerie, la deviazione del foro determina se la zona di scavo centrale (burn cut) funziona correttamente: i fori di sollievo non caricati, disposti a distanza ravvicinata al centro della fronte di scavo, devono trovarsi entro 20–30 mm dalle posizioni progettuali, altrimenti la sequenza di scavo non si sviluppa correttamente, riducendo l’avanzamento per ciclo. Un ciclo con una zona di scavo centrale non riuscita produce un avanzamento di 1,5–2 metri anziché dei 4–5 metri previsti e richiede la nuova perforazione della fronte successiva.

Il fattore di mezza impronta è la misura standard della qualità del foro di contorno: il rapporto tra le mezzo impronte visibili dei fori di scoppio sulla faccia esplosa e la lunghezza totale dei fori di contorno. In rocce compatte, con schemi di perforazione ben eseguiti, è possibile ottenere fattori di mezza impronta compresi tra il 50% e l’80%. Una scelta inadeguata del perforatore—ad esempio uno troppo sensibile al martellamento libero, con un controllo del avanzamento inconsistente o con una funzione anti-inceppamento insufficiente rispetto alla geologia—produce fori storti che determinano bassi fattori di mezza impronta, indipendentemente dalla qualità degli esplosivi. I jumbo perforatori a controllo computerizzato, dotati di bracci con geometria di tenuta parallela e funzioni automatiche di posizionamento iniziale (collaring), producono risultati di mezza impronta significativamente migliori in rocce omogenee rispetto ai macchinari regolati manualmente, anche se equipaggiati con gli stessi perforatori.

Requisiti di spurgo negli ambienti di galleria

La perforazione di gallerie si basa quasi esclusivamente sul lavaggio ad acqua, a differenza della perforazione su banco in superficie, dove il lavaggio ad aria è praticabile. I requisiti di pressione dell'acqua di lavaggio per diametri tipici di fori da galleria (45–76 mm, profondità 3–5 m) variano da 15 a 25 bar. I perforatori con maggiore capacità di pressione di lavaggio (Epiroc COP 1638+ fino a 25 bar) garantiscono l’asportazione dei detriti anche con l’aumento della velocità di avanzamento in formazioni di consistenza morbida-media; i perforatori con specifica inferiore di pressione di lavaggio (20 bar) possono presentare un accumulo di detriti qualora la velocità di avanzamento risulti superiore al previsto.

Il lavaggio con acqua interagisce inoltre direttamente con le guarnizioni della scatola di lavaggio—il confine critico tra il circuito idraulico e il circuito dell’olio di percussione. Nei tunnel dove la qualità dell’acqua di miniera è variabile o ricca di minerali, le guarnizioni di lavaggio rinforzate in PTFE hanno una durata significativamente superiore rispetto alle comuni guarnizioni a labbro. Negli impieghi in tunnel, gli intervalli di sostituzione delle guarnizioni sono brevi (tipicamente 350–400 ore di percussione, contro le 450–500 ore su superficie) e devono essere pianificati fin dall’inizio. HOVOO fornisce kit di guarnizioni in PU, HNBR e con supporto in PTFE per tutti i principali modelli di drifter per tunnel. Riferimenti su hovooseal.com.