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La storia della TBM: verso il bicentenario
Nel 2025, celebreremo il 200° anniversario dell’invenzione della Tunnel Boring Machine (TBM), una rivoluzionaria tecnologia che ha trasformato il modo in cui vengono costruite le gallerie in tutto il mondo. In questa rubrica esploreremo l’evoluzione delle TBM, partendo dalle prime idee e dai prototipi fino alle macchine moderne che oggi avanzano sotto ammassi rocciosi, fiumi e città con precisione e velocità sorprendente.
Il contributo di Schmidt e Kranz
Nonostante la rapida evoluzione delle TBM, nei primi anni del ‘900 si continuavano a prediligere metodi di scavo tradizionale alle macchine. Le talpe di allora erano ingombranti, costose e soprattutto non riuscivano ad adattarsi a certi contesti geologici: in sostanza, le macchine non riuscivano a scavare nelle rocce caratterizzate da un elevato grado di durezza. L’interesse per lo scavo meccanizzato, in quegli anni, per questo motivo andò gradualmente scemando.
Un passo importante nell’evoluzione delle TBM e dello scavo meccanizzato fu dovuto ai tedeschi Schmidt e Kranz: tra il 1916 e il 1917 realizzarono l’Eiserner Bergmann (letteralmente “minatore di ferro”), per facilitare il lavoro degli operai nelle miniere di potassio e di carbone, dove la roccia era più morbida. Questa macchina possedeva una testa di perforazione caratterizzata da un grande rullo rotante dotato di utensili in acciaio che, grazie alle sue dimensioni e alla sua struttura, permetteva di creare sezioni di galleria rettangolari. A differenza dello scavo manuale, l’Eiserner Bergmann era in grado di operare con maggiore velocità e precisione, aprendo così nuove possibilità nella costruzione di gallerie di piccole dimensioni e scavi minerari.
Nel 1931 Schmidt e Kranz introdussero un’evoluzione più grande e più efficiente del modello precedente. La nuova TBM dei due tedeschi era composta da diversi elementi: un carrello per l’avanzamento della macchina, uno di sostegno per la stabilizzazione del tunnel, uno per i cavi ed un nastro per la rimozione del materiale scavato. La testa di taglio, con una struttura a tre bracci dotati di aghi, consentiva un avanzamento medio di circa 5 metri per turno, svolto da una squadra di cinque uomini. Nonostante i miglioramenti rispetto all’Eiserner Bergmann, questa macchina presentava alcuni svantaggi: il peso eccessivo e le dimensioni ingombranti la rendevano difficile da manovrare ed era necessaria una notevole quantità di tempo per riportare la macchina nella posizione di scavo successiva. Questo modello trovò comunque un’utilità importante, soprattutto per lo scavo rapido di cunicoli di ventilazione e di gallerie esplorative e fu utilizzato con successo nelle miniere di lignite ungheresi.
La TBM di Robbins: lo spartiacque nel mondo dell’ingegneria TBM
Una delle più grandi rivoluzioni nel mondo dello scavo meccanizzato si ebbe grazie all’ingegnere James S. Robbins. Negli anni ’50, Robbins sviluppò una TBM che cambiò per sempre il modo in cui si scavavano i tunnel in ambienti rocciosi: l’innovazione della sua macchina consisteva nell’installazione di un sistema di pinze (grippers) che ancoravano saldamente la macchina alle pareti della galleria, in modo da garantirne la sua stabilità durante il processo di scavo. Questa peculiarità, insieme all’utilizzo di dischi taglianti rotanti (cutters), consentiva un’azione di scavo potente ed efficace: questi ultimi, rispetto alle versioni in metallo duro utilizzate in precedenza, mostravano una migliore durabilità ed un’efficienza superiore, permettendo di avanzare con una velocità e una stabilità che fino ad allora erano impensabili.
La macchina di Robbins trovò la sua prima applicazione nel 1957, per la realizzazione del tunnel fognario del fiume Humber a Toronto: la combinazione di gripper e cutters mostrò, per la prima volta, tutta la sua efficacia. Durante i lavori, la talpa riuscì ad arrivare a 30 metri al giorno di avanzamento, scavando tra tra arenaria, calcare e argilla: finalmente la TBM rappresentava una valida alternativa allo scavo tradizionale, potendo essere usata con successo in tipi di roccia relativamente stabili e mediamente morbide e segnando l’inizio di un’era nuova per l’ingegneria sotterranea.
Il successo della TBM di Robbins non passò inosservato: aziende americane come Hughes, Alkirk-Lawrence, Jarva e Williams si unirono alla corsa per sviluppare TBM che sfruttassero i principi innovativi introdotti da Robbins: fu in questo periodo che vennero sviluppate macchine come la main beam o la kelly, che restano oggi ancora tra le principali tipologie usate per le grandi opere sotterranee.
Grazie a Robbins, la realizzazione di lunghe gallerie non era più una sfida insormontabile; le sue idee e soluzioni tecniche aprirono le porte a nuovi progetti, spingendo l’uso delle TBM ben oltre l’ambito minerario. Queste macchine iniziarono a essere impiegate in opere di grande importanza civile e industriale, come la costruzione di fognature, gallerie idroelettriche, e, successivamente, di tunnel stradali e ferroviari, diventando uno strumento indispensabile per le costruzioni moderne.