Efficienza di taglio delle frese TBM in ammassi rocciosi fratturati: un modello di regressione non lineare per la previsione delle prestazioni
La progettazione di scavi meccanizzati in ammassi rocciosi discontinui richiede la valutazione di molteplici variabili operative. Un recente studio numerico, condotto su un modello bidimensionale agli elementi discreti (PFC2D), ha analizzato il comportamento di frese a disco in un giunto di roccia granitica, proponendo un indicatore prestazionale denominato “energia specifica di propagazione delle fratture”.
La ricerca ha esaminato l’influenza della distanza tra le frese e della profondità di penetrazione sull’efficienza di taglio. I parametri di base del modello numerico sono stati fissati: angolo di punta del disco pari a 20°, larghezza della punta di 12 mm, spaziatura dei giunti di 5 mm, inclinazione del giunto di 45° e pressione di confinamento laterale di 2,5 MPa. Le variabili oggetto di indagine comprendono quattro distanze tra le frese (60, 80, 100 e 120 mm) e una gamma di profondità di penetrazione da 2 mm a 10 mm.
Risultati della simulazione: analisi della distribuzione delle forze e delle modalità di rottura
Per ogni combinazione operativa, sono state analizzate la distribuzione delle catene di forza, le modalità di rottura dell’ammasso roccioso, il carico di penetrazione e l’efficienza di taglio. Dall’elaborazione dei dati è emerso che la prestazione ottimale si manifesta con una distanza tra le frese di 80 mm. In questa configurazione, sia la proporzione di rottura per taglio dei legami di contatto sia l’efficienza di taglio raggiungono il massimo.
Al contrario, con distanze di 60 mm e 120 mm si osservano fenomeni critici: nel primo caso si verifica una penetrazione incompleta delle superfici di frattura del giunto; nel secondo caso l’area di taglio risulta ridotta. Entrambe le condizioni penalizzano l’efficienza complessiva.
Penetrazione crescente e microfessurazione: il ruolo del taglio rispetto alla trazione
Con l’incremento della profondità di penetrazione del disco, la proporzione di rottura per taglio dei legami di contatto aumenta progressivamente. Parallelamente, il numero di microfessure per trazione diminuisce in modo graduale. Questo spostamento del meccanismo di rottura da trazione a taglio ha implicazioni dirette sulla scelta dei parametri di avanzamento in fase di scavo.
Un modello predittivo basato su regressione quadratica multivariata
Sulla base dei risultati numerici, è stato sviluppato un modello di regressione non lineare completo di tipo quadratico multivariato. L’equazione così ottenuta consente di stimare l’efficienza di taglio in funzione della distanza tra le frese e della profondità di penetrazione, utilizzando come variabile di output l’energia specifica di propagazione delle fratture.
Il modello rappresenta uno strumento di supporto per l’ottimizzazione dei parametri di scavo in gallerie realizzate con TBM (Tunnel Boring Machine) in ammassi rocciosi fratturati. I progettisti e i direttori dei lavori possono utilizzare queste correlazioni per calibrare le condizioni operative in funzione delle caratteristiche geomeccaniche del fronte di scavo, riducendo il rischio di inefficienze e usura prematura degli utensili.
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