ITPC970023A1 - Attrezzatura e metodo per eseguire interventi negli strati del sottosu olo, mediante iniezione di materiali ad alta pressione - Google Patents

Description

“ATTREZZATURA E METODO PER ESEGUIRE INTERVENTI NEGLI STRATI DEL SOTTOSUOLO, MEDIANTE INIEZIONE DI MATERIALI AD ALTA PRESSIONE "

La presente invenzione propone un'attrezzatura ed un metodo per eseguire interventi negli strati del sottosuolo mediante iniezione di materiale ad alta pressione.

In particolare l'apparato dell'invenzione comprende un’asta di perforazione costituita da due tubi coassiali e che presenta uno o più ugelli radiali ad una certa distanza dalla punta, un primo condotto di detta asta essendo collegato a mezzi atti a pompare un fluido ad aita pressione verso detti ugelli radiali, ed il secondo condotto essendo collegato a mezzi aspiranti collocati all'estremità superiore dell'asta.

II metodo secondo l’invenzione, prevede allora di iniettare un fluido ad alta pressione lungo un primo condotto di detta asta e di aspirare contemporaneamente lungo il secondo condotto.

Questo sistema può servire a numerosi scopi, ad esempio per estrarre materiali detritici dal sottosuolo senza eseguire scavi a cielo aperto, oppure per operazioni di iniezione di materiale nel sottosuolo con controllo delle sovrapressioni e del materiale di rifluimento.

Nei settore delle tecnologie per il consolidamento del terreno si è largamente diffusa, negli ultimi anni, la tecnica cosiddetta del jet-grouting, che consiste nell’iniettare negli strati del sottosuolo un fluido quale ad esempio boiacca di cemento o simili, per realizzare delle colonne di terreno consolidato.

Questo metodo, come detto, ha incontrato una notevole diffusione permettendo di risolvere numerosi problemi di ingegneria del sottosuolo, che in precedenza venivano affrontati con tecnologie molto costose e complesse.

Il brevetto WO 90/11412 descrive un procedimento per formare colonne di terreno consolidato con armatura di rinforzo, che prevede di scavare un foro nel terreno per mezzo di un’asta di perforazione inserendo nel foro un tubo per l’iniezione di boiacca, ritirare l’asta di perforazione lasciando il tubo nel terreno, posizionare un’armatura all'interno del tubo e contemporaneamente iniettare calcestruzzo liquido attraverso il tubo nel foro ad elevata pressione, ritirando il tubo dal terreno.

Il brevetto USA 5.624.201 , dello stesso richiedente, descrive una tecnica che prevede di effettuare perforazioni nel terreno a mezzo di un’asta costituita da due tubi coassiali, iniettare un fluido ad alta velocità lungo il condotto centrale, facendolo fuoriuscire da uno o più ugelli radiali in prossimità della punta, ed iniettare contemporaneamente un fluido a bassa pressione contenente le sostanze da disperdere, lungo l'intercapedine fra i due tubi ed attraverso ugelli posti in prossimità o attorno agli ugelli del fluido ad alta pressione.

In questo modo il fluido ad alta pressione rompe e disgrega il terreno attorno all’asta di perforazione trascinando con sè il materiale da disperdere, che viene uniformemente miscelato al terreno per ottenere l’effetto richiesto.

Quest'ultima tecnica è prevista, principalmente, per operazioni di bonifica degli strati del sottosuolo senza la necessità di dover eseguire sbancamenti o scavi a cielo aperto.

E’ noto che durante l’iniezione di materiali nel sottosuolo, con questa o con altre tecniche, gran parte del liquido che viene iniettato dagli ugelli risale poi verso la superficie passando nell'intercapedine che rimane fra la parete del foro e l’asta di perforazione.

Accade però abbastanza di frequente, specie in terreni coerenti, che il terreno attorno al foro collassi, con i detriti che si stringono attorno all’asta di perforazione e vanno a chiudere il passaggio che mette in comunicazione il fondo del foro con l’esterno.

Conseguenza di questi fenomeni è la formazione del cosiddetto “claquage” vale a dire una rottura del terreno che interrompe la continuità della colonna ed ha spesso, come conseguenza, degli innalzamenti degli strati sovrastanti e del piano di lavoro.

Un altro problema che si presenta con questo tipo di tecnologie è connesso al trattamento del materiale di rifluimento che, soprattutto nel caso di lavori in aree urbane, quali interventi di sottofondazione ecc., rappresenta un problema di difficile soluzione.

Attualmente per il materiale di rifluimento si prevedono pozzetti di raccolta, canalizzazioni o simili che però hanno un costo elevato e non risolvono completamente il problema.

La presente invenzione propone ora un metodo per l’iniezione di materiali nel sottosuolo che, contrariamente ai metodi noti, dal jet-grouting a quelli sopra accennati i quali prevedono solamente la iniezione di materiale nel terreno per scopi di bonifica o di consolidamento, consente di evitare gli inconvenienti sopra descritti.

A questo scopo si prevede di effettuare una perforazione a mezzo di un'asta costituita da due tubi coassiali che presenta, in prossimità della punta, uno o più ugelli radiali attraverso i quali si inietta, a pressione elevata, la miscela cementizia o il materiale per il trattamento del terreno, e in cui il tubo interno ad un estremo fa capo ad un foro nella parte inferiore della punta, e all'altro è collegato a dispositivi di aspirazione che recuperano il materiale di rifluimento ed evitano la formazione di sovrapressioni.

In questo modo si crea nella tubazione interna una depressione in grado di mantenere il necessario equilibrio all'interno della colonna, rendendo impossibile la formazione di claquage.

Inoltre si ottiene il vantaggio di convogliare il materiale di rifluimento in appositi contenitori, eliminando in tal modo tutti i problemi logistici propri delle tecniche note.

Addirittura è possibile, ad esempio utilizzando come liquido ad alta pressione della semplice acqua, effettuare un trattamento di pre-lavaggio del volume di terreno da trattare, asportando piccoli detriti e materiale friabile, sostituendoli con materiale cementizio o simili.

Sfruttando l’azione del fluido che fuoriesce ad elevata velocità dagli ugelli radiali e che ha un effetto disgregante sugli strati di terreno in prossimità del foro, si può utilizzare l’attrezzatura anche per estrarre minerali, detriti o simili dagli strati del sottosuolo senza la necessità di eseguire sbancamenti e scavi a cielo aperto, preservando in tal modo l’integrità dell’ambiente, come verrà descritto in seguito.

La presente invenzione sarà ora descritta dettagliatamente, a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati in cui:

• le figure da 1 a 3 illustrano schematicamente un’apparecchiatura di scavo durante le diverse fasi di attuazione del metodo secondo l'invenzione;

• le figure 4 e 5 sono la sezione schematica rispettivamente della parte iniziale di un'asta di perforazione utilizzata per l'attuazione del metodo secondo l’invenzione e della parte finale 0 punta della stessa asta; • la figura 6 è una sezione schematica di un'asta di perforazione utilizzabile per attuare il metodo secondo l'invenzione.

Conformemente con l’invenzione, per iniettare materiale nel sottosuolo si esegue una perforazione fino alla profondità richiesta a mezzo di un’asta di perforazione, indicata nel suo complesso con 1 in figura 6, costituita di due tubi coassiali 2 e 3 che determinano, fra di essi, una intercapedine 4 (quest'ultima essendo meglio visibile nelle figure 4 e 5).

L’intercapedine fa capo ad uno o più ugelli radiali 6 posizionati in prossimità della punta, poco al di sopra dello scalpello 7, mentre il tubo centrale 3 fa capo ad una apertura 8, all’estremità inferiore della punta, che attraversa anche lo scalpello.

In prossimità della parte superiore l’asta è circondata da una camicia 9, provvista dì opportune guarnizioni dì tenuta 10, al cui interno è definita una camera anulare 11 in comunicazione da un lato con l'intercapedine 4 e, dall'altro, con un condotto 12 a sua volta collegata ad una pompa ad alta pressione 13.

Una pompa a vuoto 14 è invece collegata all’estremità superiore del tubo interno 3.

Con i metodi noti, durante il funzionamento dell’apparecchiatura il materiale di rifluimento provocato dal pompaggio risale poi in superficie lungo l'intercapedine fra il foro e l’asta di perforazione.

Per questa ragione in caso di collasso del terreno e conseguente chiusura di questo passaggio, il materiale che viene continuamente pompato provoca, nel sottosuolo la formazione di sovrapressioni che danno luogo agli inconvenienti descritti in precedenza.

Conformemente con il metodo secondo l’invenzione, invece, durante l’uso dell'attrezzatura si aziona la pompa a vuoto 14 e si aspira il materiale di rifluimento attraverso il condotto interno 3.

In questo modo si garantisce un adeguato scorrimento del materiale di rifluimento, evitando il formarsi di dannose sovrapressioni negli strati interni del terreno ed evitando che in caso di collasso dell’intercapedine fra la parete del foro e l’asta di perforazione, si creino nel sottosuolo delle pressioni eccessivamente elevate che darebbero luogo al fenomeno cosiddetto di “claquage" o altri inconvenienti.

Questa tecnica di iniezione ad alta pressione e contemporanea aspirazione si presta anche ad altre applicazioni fra cui, ad esempio la già citata estrazione di materiali dagli strati del sottosuolo.

E’ infatti noto che in alcune parti del globo, ad esempio nella parte nord della Siberia, il terreno è permanentemente gelato, fino ad una profondità di parecchie decine di metri, e solamente nella stagione estiva si scongela un sottile strato superficiale, dello spessore di circa 1 - 1,5 metri.

In molte di queste zone non si trovano, in superficie, inerti in quantità sufficiente a coprire le necessità del mercato, ed è perciò necessario procurarseli scavando nel sottosuolo.

Operare in queste condizioni climatiche è però estremamente difficile e comporta enormi problemi, perché gli scavi a cielo aperto porterebbero a problemi di stabilità dai fronti di sbancamento nei periodi di disgelo estivo, con conseguenze disastrose per l'ambiente.

A titolo di esempio basti pensare che in presenza di terreni fini si ha, in occasione del disgelo, una completa fluidificazione del terreno stesso, avendo quesfultimo un angolo di attrito di 6-7°C.

Questo significa che in casi di genere, se si vuole scavare a cielo aperto, occorre eseguire scavi con angolo di scarpa di almeno 1/12-15 (ad esempio per uno scavo profondo 4 metri, occorre sbancare per una larghezza di circa 120 metri totati).

Anche in questo caso si fa uso di un'asta di perforazione del tipo sopra descritto, in cui l’intercapedine 4 funge da condotto di mandata per un fluido, che può essere semplicemente acqua, il quale fuoriesce dagli ugelli 8 ad una velocità molto elevata (circa 300-350 metri/secondo), erodendo e disgregando il materiale attorno all'asta di perforazione.

Il tubo interno 3 definisce sempre un condotto attraverso il quale il materiale scavato viene aspirato e portato in superficie.

Il metodo prevede dapprima la perforazione del terreno fino alla profondità richiesta, per mezzo di un'asta di perforazione che è preferibilmente costituita dalla stessa asta 1, tappando, in questa fase, l'apertura in corrispondenza della punta per evitare fenomeni di carotaggio durante la penetrazione.

Per la perforazione potranno essere impiegati anche altri sistemi, noti ad esempio con il nome di "wire-line”.

Al termine della fase di perforazione (illustrata schematicamente in figura 1) si inietta un fluido, ad esempio acqua ad alta pressione (preferibilmente almeno 600 bar) lungo l'intercapedine 4 facendo ruotare e s contemporaneamente ritirando l’asta.

L’energia cinetica del fluido, che fuoriesce dagli ugelli ad una velocità di qualche centinaio di metri al secondo, erode e disgrega il terreno in una zona di sezione sostanzialmente circolare tutt'attorno aN'asta (fig. 4).

Contemporaneamente si aspira, tramite la pompa 9, attraverso il condotto centrale lungo il quale i ciottoli ed il terreno disgregato, trascinati dall’acqua, risaliranno in superficie, eventualmente con l’ausilio di aria.

Per questo genere di applicazioni è normalmente sufficiente un foro del diametro di 200-400 mm. Poiché l’iniezione avviene ruotando e contemporaneamente ritirando l’asta, si forma nel sottosuolo, in corrispondenza dello strato di terreno trattato, una cavità di sezione circolare del diametro che, a seconda del tipo di terreno, può variare da circa 1 , 5 a circa 3 metri.

Per ogni metro lineare di perforazione si estraggono quindi da circa 1 ,6 a circa 7 m<3 >di materiale.

Se necessario al termine dello scavo si può riempire, come indicato schematicamente in figura 3, la cavità con materiale di scarto introdotto nello scavo sempre lungo il condotto interno 3 dell’asta.

Come apparirà chiaro dalla descrizione fornita, l’attrezzatura secondo l’invenzione permette eseguire interventi nel sottosuolo senza la necessità di intervenire con sbancamenti e scavi a cielo aperto e senza il rischio di inconvenienti dovuti al formarsi di sovrapressioni.

Un esperto del ramo potrà poi prevedere diverse modifiche e varianti, che dovranno considerarsi tutte comprese nell'ambito del presente trovato.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1) Attrezzatura per eseguire interventi negli strati del sottosuolo, mediante iniezione di materiali ad alta pressione, caratterizzata dal fatto di prevedere: · un'asta di perforazione costituita da due tubi coassiali; • uno o più ugelli radiali nella parete esterna di detta asta di perforazione, detti ugelli facendo capo all'intercapedine fra detti tubi; • mezzi atti a pompare ad elevata pressione un materiale lungo detta intercapedine; · mezzi atti ad aspirare materiale lungo il condotto centrale, detto condotto centrale facendo capo ad una apertura in corrispondenza della punta di perforazione.
2. 2) Attrezzatura secondo la rivendicazione 1 , caratterizzata dal fatto che il diametro di detto condotto centrale è superiore allo spessore di detta intercapedine.
3. 3) Apparato per l'estrazione di materiali dal sottosuolo del tipo comprendente un’asta di perforazione secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto di prevedere: • uno o più ugelli radiali nella parete esterna dell’asta di perforazione, ad una certa distanza dalla punta: • un'apertura centrale, in corrispondenza dell’estremità inferiore dell’asta, in comunicazione con il tubo centrale; • mezzi atti a pompare un fluido ad alta pressione verso detti ugelli radiali lungo l’intercapedine compresa fra detti tubi; · mezzi aspiranti collegati all’estremità superiore del tubo interno.
4. 4) Apparato secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il diametro del condotto centrale e della relativa apertura in punta è maggiore dello spessore dell' intercapedine fra i due tubi.
5. 5) Apparato secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto di prevedere, in punta, uno scalpello attraversato da un'apertura atta a mettere in comunicazione detto tubo centrale con l'esterno.
6. 6) Metodo per eseguire interventi negli strati del sottosuolo, mediante iniezione di materiali ad alta pressione, caratterizzato dal fatto che: • si effettua una perforazione con un’attrezzatura secondo la rivendicazione 1 ; • si alimenta materiale ad alta pressione lungo l'intercapedine fra detti due tubi e lo si inietta nel terreno attraverso uno o più ugelli radiali previsti nella parete esterna dell’asta; • contemporaneamente si aspira materiale attraverso il tubo centrale.
7. 7) Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che durante l'iniezione del fluido ad aita pressione si aspira materiale di rifluimento.
8. 8) Metodo secondo le rivendicazioni 6 o 7, caratterizzato dal fatto che contemporaneamente all’iniezione si mantiene in rotazione l’asta e la si sposta lungo il proprio asse.
9. 9) Metodo per l’estrazione di materiali dal sottosuolo, caratterizzato dal fatto di prevedere le seguenti fasi: • perforazione, fino alla profondità richiesta, mediante un’attrezzatura secondo la rivendicazione 1 ; · iniezione di un fluido ad alta pressione lungo uno di detti condotti ed attraverso uno o più ugelli radiali in prossimità della punta, ruotando e sollevando contemporaneamente l’asta di perforazione; • aspirazione dei materiali scavati, trascinati da detto fluido, dalla estremità inferiore della colonna, lungo l’altro di detti condotti.
10. 10) Metodo per l’estrazione di materiali secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che l'iniezione del fluido ad alta pressione avviene ruotando e contemporaneamente sollevando l’asta.
11. 11) Metodo secondo le rivendicazioni 9 o 10, caratterizzato dal fatto di prevedere un’ulteriore fase di riempimento della cavità formata, durante la quale si immette materiale nella cavità lungo il condotto centrale dell’asta.