La ventilazione durante gli scavi delle gallerie

Per garantire la necessaria presenza di ossigeno durante i lavori di scavo delle gallerie, a tutela del personale presente, è obbligo di legge provvedere ad un’adeguata ventilazione forzata .

Questa funzione è necessaria sia che si applichi la tecnica di scavo mediante esplosivo , sia con l’utilizzo delle frese, dal momento che in entrambi i casi occorre diluire gli inquinanti normalmente presenti, come i gas di combustione dei motori diesel dei mezzi operanti in galleria e i gas e i fumi prodotti dagli esplosivi.

Le gallerie che si realizzano attualmente, in particolare le stradali e le ferroviarie, sono mediamente più lunghe e più ampie che in passato, cosa che ha reso inadeguati molti aspetti tecnici ritenuti validi fino ad alcuni anni fa.

Anche per il comando e il controllo dei motori dei ventilatori , oggi solitamente di potenza più elevata, ci si sta orientando verso tecnologie più moderne, come l’applicazione dei convertitori di frequenza in sostituzione dei metodi più tradizionali di avviamento, regolazione e dimensionamento della ventilazione in funzione delle varie fasi di avanzamento dei lavori.

In generale la quantità d’aria necessaria per la ventilazione ottimale viene calcolata in base al numero di mezzi presenti in galleria nella fase di asportazione all’esterno del materiale di scavo.

Nel caso di utilizzo delle frese questa attività si svolge attraverso vagoni trainati da locomotori diesel, mentre nello scavo con utilizzo di esplosivo, più critico del precedente, l’asporto viene attuato mediante autocarri su cui il materiale viene caricato per mezzo di una pala diesel.

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La ventilazione durante gli scavi delle gallerie

Nella quasi totalità dei casi, soprattutto in Italia, l’impianto di ventilazione è costituito da ventilatori assiali posti all’imbocco della galleria e collegati a una tubazione di tipo floscio che porta l’aria esterna fino al fronte di scavo e che, pertanto, viene progressivamente allungata con l’avanzamento dei lavori.

Il sistema di ventilazione deve, ovviamente, garantire portate e pressioni crescenti con l’avanzare del fronte di scavo .

Per questo motivo, unitamente alle inevitabili perdite di carico dovute al tipo di tubazione utilizzato, si richiede un sistema di ventilatori con prestazioni variabili, ottenute tradizionalmente mediante ventilatori multistadio la cui potenza viene regolata tra 25 e 31 kW. Questa soluzione, però, non è più sufficiente per soddisfare le esigenze connesse con lo scavo di molte delle attuali gallerie, la cui ampiezza richiede ventilatori più grossi con potenze assai maggiori p er ogni singolo motore .

L’utilizzo in queste situazioni dei sistemi tradizionali d’avviamento stella-triangolo provocherebbe, infatti, picchi di spunto troppo elevati e problemi di resistenza meccanica della tubazione floscia.

È risultato quindi indispensabile applicare la regolazione mediante i ben noti inverter, cioè convertitori statici di frequenza che consentono di ottimizzare i costi di gestione dell’impianto di ventilazione, regolando la velocità di rotazione e adeguando, di conseguenza, l’assorbimento elettrico in base all’avanzamento del fronte di scavo o delle esigenze del cantiere.

La ventilazione durante gli scavi delle gallerie

Un efficiente ri cambio d’aria nei tunnel in costruzione è di estrema importanza, tanto che la sua mancanza o un’avaria nel sistema di ventilazione rendono di fatto impossibile lo svolgimento dei lavori, dal momento che si rischierebbe l’intossicazione degli addetti a causa delle polveri e degli inquinanti presenti in galleria.

È evidente quindi l’elevato livello di affidabilità e disponibilità richiesto al sistema stesso, poiché ogni fermata delle attività cantieristiche provoca notevoli danni economici. Una soluzione già ampiamente diffusa nei moderni cantieri, tra cui tutte le gallerie autostradali in corso d’opera per la variante di valico, nel tratto Sasso Marconi - Barberino del Mugello, è stata sviluppata da Fläkt Woods con l’applicazione degli inverter ABB ai motori dei ventilatori.

Il risultato di questa cooperazione tecnica tra Fläkt Woods e ABB Sace, che garantisce, tra l’altro, tempestivi interventi d’assistenza in caso di necessità, è una tipologia di impianto adatta per qualsiasi scavo di galleria (stradale, ferroviario, idrico, minerario) con le potenze dei ventilatori che devono essere regolate tra 110 e 250 kW.

L’intero progetto dei sistemi, che prevedono l’utilizzo di inverter ACS800 in tecnologia DTC (Direct Torque Control), viene interamente sviluppato per ciascuna applicazione da Fläkt Woods, dimensionando la ventilazione in base alla quantità dei mezzi diesel secondo un fattore di contemporaneità di presenza nel tunnel.

Fino ad oggi l’unica normativa italiana che regola la ventilazione in queste applicazioni, anche se molto generica, è contenuta nel D.P.R. n° 320 art. 30 com ma 2, che impone un quantità d’aria di 4 m3/min. (0,066 m3/sec.) per CV Diesel e di 3 m3/min. (0,05 m3/sec.) per ogni lavoratore. Inoltre per il dimensionamento di questi progetti ci si avvale della letteratura tecnica disponibile o di quanto contenuto nelle norme svizzere SIA 196.

Per garantire la massima sicurezza possibile in caso d’avaria, nelle gallerie di lunghezza superiore ai 200 metri è consigliabile l’utilizzo di due ventilatori in serie, in modo tale che ciascun ventilatore possa mantenere un livello minimale di ventilazione anche se con portata ridotta. In alcuni casi questo accorgimento è imposto da leggi regionali.

Sempre per questioni di sicurezza si prevede anche l’utilizzo di un inverter per ciascun motore.

Figura 1: Gli inverter ACS800 di ABB, applicati ai sistemi di ventilazione sviluppati da Fläkt Woods, consentono di ottimizzare i costi di gestione dell'impianto di ventilazione, regolando la velocità di rotazione mediante la tecnologia DTC e adeguando, di conseguenza, l'assorbimento elettrico in base all'avanzamento del fronte di scavo o alle esigenze del cantiere

La ventilazione durante gli scavi delle gallerie

In casi d’emergenza di qualsiasi tipo l’utilizzo dei sistemi di ventilazione con inverter permette un intervento automatico ed un adeguamento delle prestazioni dell’impianto di ventilazione.

Un esempio si ha nei cantieri autostradali della variante di valico precedentemente citati dove, a causa della natura geologica, è necessario un costante monitoraggio del gas metano naturale (grisou) durante lo scavo della galleria.

In queste situazioni di maggior pericolo l’inverter, su retroazione dei sensori di gas posizionati nello scavo della galleria , è in grado di intervenire escludendo il comando manuale e portando immediatamente alla massima potenza i ventilatori p er diluire ed evacuare nel minor tempo possibile i gas pericolosi ed altamente esplosivi .

Questi sistemi di ventilazione si utilizzano anche nelle gallerie principali delle miniere durante la normale attività di estrazione.

Nelle gallerie laterali “di coltivazione”, da cui viene estratto il minerale, la ventilazione, soprattutto in inverno, avviene naturalmente per convezione; quando però ciò non è più sufficiente per garantire le condizioni progettuali, l’inverter del sistema interviene su retroazione da velocimetri per integrare la ventilazione naturale.

È interessante per ultimo ricordare che l’utilizzo degli inverter può portare benefici acus tici all’impianto di ventilazione soprattutto in quei casi in cui l’imbocco del tunnel è situato in prossimità di un insediamento abitativo: infatti riducendo la velocità di rotazione del motore e conseguentemente della girante per adeguare la potenza dei ventilatori alle reali esigenze del cantiere, il rumore si riduce su scala logaritmica: per esempio al 50% del numero di giri (con la frequenza che passa da 50 a 25 Hz e la potenza che varia da 250 a 31 kW) il rumore si riduce di 17 decibel.

Figura 2 I convertitori di frequenza intervengono sulla velocità di rotazione dei ventilatori regolandone la potenza tra 110 e 250 kW