Perforatrice idraulica specifica per tunnel: basso livello di rumorosità, elevata stabilità, elevata efficienza negli spazi ristretti

La galleria stradale Kaminiko nella prefettura di Hiroshima è stata realizzata in granito con una resistenza a compressione superiore a 200 MPa, con edifici residenziali situati a 70 metri sopra la chiave della volta. Per lunghi tratti non era possibile ricorrere al metodo di scavo con esplosivi. Il team di costruzione aveva bisogno di un perforatore idraulico per roccia in grado di garantire una velocità di formazione di fronte libero di 3,5 m² all’ora in roccia dura, in una testata dove non c’era spazio sufficiente per manovrare attrezzature di grandi dimensioni e dove non era tollerabile alcun danno al terreno sovrastante causato dalle vibrazioni.

Questo insieme di vincoli definisce la perforazione specifica per gallerie: non si tratta soltanto di spazi più ristretti, ma di un intero nuovo capitolato ingegneristico. Rumore, stabilità sotto vibrazioni confinate, efficienza del sistema di spurgo in condizioni di portata d’aria limitata e geometria del braccio di perforazione che garantisca una copertura completa della sezione frontale senza richiedere una macchina troppo ingombrante per transitare nella stessa sezione che deve perforare. Ciascuno di questi requisiti entra in conflitto con gli altri, e un perforatore progettato per lavori su bancate a cielo aperto non soddisferebbe diversi di essi.

Il vincolo geometrico: perché compatto non significa meno potente

I perforatori jumbo per tunnel sono classificati in base alla sezione trasversale che possono coprire, non in base alle dimensioni del veicolo di trasporto. Un impianto progettato per sezioni trasversali comprese tra 7 e 35 m² richiede una geometria del braccio articolato in grado di raggiungere l’intero profilo della fronte di scavo — volta, pavimento e pareti laterali — senza dover riposizionare il veicolo di trasporto. Ciò richiede un braccio articolato con capacità di tenuta parallela, in modo che il supporto di avanzamento rimanga perpendicolare al piano di foratura indipendentemente dalla posizione assunta dal braccio.

Ciò comporta, per il perforatore roccia stesso, la necessità di erogare una potenza percussiva compresa tra 12 e 20 kW in un corpo di perforatore compatto. Il design del pistone a gradini, utilizzato in alcuni perforatori specificamente concepiti per applicazioni in tunnel, migliora l’efficienza del trasferimento dell’energia d’urto proprio perché ottimizza la densità di potenza, non l’energia massima. Un perforatore a pistone a gradini da 15 kW, impiegato in una sezione di avanzamento di 3,5 m × 1,8 m, può garantire una velocità di penetrazione costante di 2 m/min in rocce con resistenza compresa tra 80 e 120 MPa, pur adattandosi a un veicolo di trasporto in grado di transitare attraverso un cunicolo di accesso di 2,5 m × 1,5 m.

Le configurazioni compatte—come la classe KJ212 progettata per fronti di scavo con dimensioni ridotte fino a 3,5 m × 1,8 m—utilizzano un braccio richiudibile appositamente concepito affinché la macchina possa transitare attraverso una sezione di 2,5 m × 1,5 m e quindi dispiegarsi fino all’altezza operativa massima sul fronte di scavo. Questo non è un dettaglio secondario; è un requisito fondamentale di progettazione per i fronti di sviluppo nelle miniere a vena stretta.

Rumore in una galleria: quando la specifica standard diventa un problema di conformità

La perforazione su roccia scoperta genera livelli di rumore compresi tra 95 e 115 dB nella posizione dell’operatore in un’area aperta. In un fronte di scavo di galleria di 5 m × 5 m, tuttavia, la stessa energia percussiva non ha alcun modo di dissiparsi: il suono riflesso dalle pareti in calcestruzzo o in calcestruzzo spruzzato aggiunge 10–15 dB di riverbero. Un’esposizione prolungata a livelli superiori a 85 dB attiva l’obbligo di utilizzo di dispositivi di protezione dell’udito secondo la maggior parte delle normative vigenti nei settori minerari; oltre i 100 dB in uno spazio chiuso entrano in vigore limiti temporali alla durata del turno.

Il design a basso rumore del perforatore opera su due livelli: isolamento delle vibrazioni tra il modulo di percussione e la struttura portante (riducendo la trasmissione del rumore strutturale al braccio e al telaio) e silenziamento dell’uscita di scarico per il lavaggio, qualora l’aria sia il mezzo di lavaggio. Il lavaggio ad acqua sopprime intrinsecamente parte del rumore da percussione e controlla contemporaneamente la polvere—entrambi fattori importanti durante le operazioni in una galleria, dove la polvere si accumula più rapidamente di quanto possa essere evacuata tramite ventilazione.

I regolamenti applicati nei cantieri urbani per tunnel—progetti stradali e ferroviari che attraversano aree edificate—spesso specificano una velocità massima di vibrazione in superficie, non soltanto un limite di rumorosità all’imbocco. I metodi di perforazione a faccia libera che utilizzano la percussione idraulica anziché gli esplosivi possono raggiungere una capacità di formazione della sezione frontale di 3,5 m²/h nel granito con resistenza superiore a 200 MPa, mantenendo le vibrazioni in superficie entro i limiti accettabili, cosa impossibile con i metodi esplosivi.

Specifiche del perforatore per tunnel: sezione trasversale, braccio e classe di perforatore

Un jumbo a due bracci che copre un modello di fronte forato da 50 fori con un avanzamento tipico di 3,5 m per ciclo completa generalmente il ciclo di perforazione in 2,5–3 ore in roccia compatta. Il tempo di ciclo aumenta significativamente in terreni fratturati o interessati da intercalazioni argillose, dove le funzioni anti-inceppamento si attivano frequentemente: è proprio in questi casi che il controllo automatico dei parametri riduce il ritardo della reazione umana, che altrimenti causerebbe il blocco della batteria di perforazione.

Stabilità sotto carichi ciclici elevati in spazi ristretti

Un perforatore per roccia montato su un braccio jumbo trasmette le vibrazioni al telaio del veicolo portante attraverso la trave di alimentazione, i supporti del carrello e i tubi flessibili idraulici. In una galleria, il telaio non poggia su terreno morbido in grado di assorbire tali vibrazioni, ma su calcestruzzo o su riempimento di roccia compattata, che invece le trasmette integralmente. Freni di servizio a dischi multipli bagnati e freni di stazionamento a molla con rilascio idraulico sono standard sui moderni jumbo per gallerie proprio per evitare che il veicolo portante si sposti durante la percussione, il che causerebbe uno spostamento del foro rispetto alla posizione pianificata.

Un’accuratezza di posizionamento del braccio di ±2 cm è raggiungibile grazie a sistemi automatici di mantenimento parallelo e allineamento laser, ma soltanto se il veicolo portante rimane stabile nel momento di esecuzione del collare. Un veicolo portante che si sposta di 5 mm durante il primo metro di perforazione genera una deviazione del foro che si accumula fino a 50–80 mm a una profondità di 4 metri: un valore sufficiente a compromettere lo schema di scoppio e a generare sovradimensionamento (overbreak), con conseguente aumento dei costi di getto del calcestruzzo spruzzato (shotcrete) ad ogni singolo ciclo.

Manutenzione del circuito di tenuta e di spurgo in condizioni di galleria

I perforatori per gallerie accumulano ore di percussione più rapidamente rispetto alle attrezzature per superficie, poiché la macchina spesso non può spostarsi tra i fori come farebbe una piattaforma di superficie. Un minor tempo di traslazione comporta un maggior tempo di perforazione per turno. In particolare, il circuito di spurgo subisce un carico maggiore: lo spurgo ad acqua in una testata confinata implica che il flusso di ritorno trasporta continuamente fini detriti attraverso l’interfaccia della tenuta della scatola di spurgo, anziché sedimentare chiaramente come avverrebbe in un foro aperto in superficie.

HOVOO fornisce kit di tenuta per perforatrici per tunnel montate su principali piattaforme jumbo, inclusi modelli compatibili con le specifiche delle perforatrici Epiroc, Sandvik e Montabert. Considerato il tasso di usura più elevato della scatola di lavaggio nelle applicazioni sotterranee, la suddivisione del kit di lavaggio e del kit di percussione in componenti sostituibili separati—anziché un unico kit combinato—consente una sostituzione mirata in base all’usura effettiva, evitando di sostituire entrambi i kit allo stesso intervallo. I kit specifici per modello sono elencati su hovooseal.com.