www.archeosub.it

HOME PAGE

Sistemi e macchine per lo scavo subacqueo

di Franco Lamenza

pubblicato nella rivista immersione rapida M.A.R.E. anno II, n. 12 - marzo 2002 - pp. 54-61

Per gentile concessione del Direttore Responsabile Marcello Toja

Translate with Babel Fish:  

Fra i numerosi tipi e modelli di veicoli telecomandati Rov d'ogni concezione e dimensione, vi sono apparati e sistemi destinati a interventi di scavo e di dragaggio, spesso in relazione all'installazione e alla protezione di strutture artificiali e industriali. In pratica, questi sistemi assolvono sui fondali marini, le stesse funzioni che in superficie sono espletate dalle macchine per movimento terra.

Originariamente, quest'attività era limitata alle opere portuali e riguardava gli scavi necessari al consolidamento di strutture come: moli, banchine, dighe, fari eccetera, e la sua esecuzione era affidata agli interventi manuali di cassonisti e palombari. I primi, intervenivano normalmente nelle attività di scavo all'interno dei cassoni destinati ad essere infossati sul fondo e a costituire le fondamenta delle sovrastanti opere murarie, i secondi, invece, lavoravano più frequentemente all'esecuzione degli «spianamenti» e delle opere di livellamento del fondo, oppure all'effettuazione degli «sbancamenti», per rimuovere con sorbone aspiranti o lance idrauliche, cumuli o ammassi di sedimenti. Una vera e propria nascita delle attività di scavo, si è verificata con l'avvento delle tubazioni sottomarine per il trasporto degli idrocarburi e con il proliferare dei cavi sottomarini, per il trasporto dell'energia e delle telecomunicazioni.

La macchina di scavo "Giano", capace di avanzare nei due sensi (Saipem anni 90), con grosse frese e potenti pompe idrovore

La necessità di condurre operazioni di scavo, interramento e ricopertura, sui fondali marini, in connessione con la posa di condotte, ha portato, negli ultimi anni, alla ricerca e allo sviluppo d'attrezzature e sistemi destinati a soddisfare i fondamentali requisiti d'ordine pratico, operativo, ed economico. L'infossamento delle condotte posate sul fondo marino e dei cavi di vario tipo: elettrici, telefonici, telegrafici, nasce da svariate esigenze di sicurezza e di normativa giuridica, in rapporto alle zone di costa e di fondale che ne sono attraversate. Dal momento che sono i fattori locali specifici come pesca, navigazione, correnti, morfologia e batimetria del fondale, natura e consistenza dei sedimenti, a determinare la necessità d'infossare una condotta per un tratto parziale o totale del suo percorso, in zona costiera e sommersa, a stabilirne le caratteristiche d'infossamento, quanto profondità dello scavo, entità e graduazione del ricoprimento; si può rilevare che, compatibilmente con l'aspetto economico implicato dall'operazione, l'interramento delle condotte e dei cavi, è diventata prassi diffusa nei tratti di percorso sub litorale, spesso per imposizione di legislazione e normativa. Gli elementi e le circostanze che influenzano l'effettuazione dello scavo e del ricoprimento, la scelta è l'impiego dei sistemi e delle attrezzature, l'applicazione delle metodologie e delle procedure più convenienti, sono: la profondità dell'acqua, la lunghezza della condotta, il suo diametro, la sua funzione, le caratteristiche geologiche del fondale, la topografia e la morfologia subacquea della zona interessata, la profondità richiesta d'infossamento, le condizioni ambientali (maree, correnti, la situazione media del moto ondoso) e antropiche (navigazione, industrializzazione, pesca). La pratica operativa dell'ultimo trentennio ha portato a distinguere tre metodologie di base: il pre-scavo (pre-trenching), ovvero scavo preventivo e tracciamento della trincea destinata ad accogliere la conduttura prima che abbia luogo l'operazione di posa della stessa; lo scavo contemporaneo (co-trenching) al varo e alla posa della tubazione; lo scavo successivo (post-trenching) alla posa della condotta, ovvero infossamento della tubazione asportandole materiale da sotto, dopo che è stata varata, tirata o posata nella posizione voluta. Ciascuna di queste tre metodologie di base s'avvale di tecniche esecutive e operative diverse, sebbene possano esistere punti in comune. Ovviamente, la scelta di un metodo, invece di un altro, dipende dalle condizioni ambientali e dalle circostanze generali e specifiche del progetto. La logica e la pratica, hanno confermato che la scelta del metodo dipende fondamentalmente dalle condizioni geolitologiche e morfologiche dei fondali lungo il tracciato. Come regola di massima, si potrebbe sintetizzare che i fondali compatti, costituiti da sedimenti cementati o litificati o da rocce, richiedono l'adozione dei metodi di pre-scavo, mentre i fondali coperti da una coltre di sedimenti incoerenti di «potenza» superiore alla profondità di scavo richiesta, oppure costituiti da materiali non litificati, né cementati, o facilmente disgregabili (arenane tenere, marne argillose), consentono l'adozione del metodo di scavo successivo alla posa della tubazione.

I metodi di pre-scavo possono talora essere applicati anche nel caso di fondali costituiti da sedimenti teneri non litificati, o anche da materiali incoerenti; a condizione però, che tali sedimenti offrano garanzie di stabilità e di conservazione del pendio e della scarpata, per tempi adeguatamente lunghi e sufficienti alla posa ed all'installazione della tubazione. Inoltre, le condizioni ambientali non devono essere caratterizzate da effetti riflessi di rimaneggiamento dei sedimenti sul fondo, a causa del moto ondoso o delle correnti litoranee e/o di marea. In questi ultimi casi, così come nel caso di approdi su spiagge o su coste basse, sabbiose o limose, il pre-scavo può essere attuato mantenendo poi la trincea aperta per mezzo di barriere artificiali o palancole. I metodi di scavo contemporaneo alla posa della tubazione (co-trenching) rappresentano l'applicazione di tecniche comuni ad uno degli altri due metodi o ad ambedue, e il ricorso a operazioni di scavo in contemporaneità a quelle di posa della tubazione, dipende molto più da ragioni pratiche ed esecutive che da motivi ambientali.

Nei limitati casi in cui viene attuato, il co-trenching si effettua in terreni soffici, suscettibili a facile movimentazione con sistemi d'aspirazione o di separazione.

Infatti, anche sistemi di separazione del suolo rappresentati da un gigantesco aratro, Opportunamente montato su di un affusto e su delle ruote, proporzionate e dotate d'ampia superficie d'appoggio, sono stati utilizzati, con accertabili risultati, su fondali marini di facile modellabilità e incisione. In genere, tuttavia, si ricorre al pre-scavo sui suoli rocciosi o comunque compatti, e al post-scavo su fondali incoerenti e mobili, lasciando poi il compito del ricoprimento spontaneo ai fattori naturali, in acque abbastanza profonde, o ricorrendo ad un ricoprimento artificiale con ghiaiatura o scarico di pezzame roccioso (gravel dumping) nei tratti poco profondi, negli approdi costieri e in tutti i settori esposti ad una più energica azione del moto ondoso o della risacca.

Uso di una lancia idraulica	Macchina di scavo Beluga con frese e ruote gommate - lavora a diverse centinaia di metri di profondità

Per l'attuazione dei tre fondamentali metodi di scavo (pre-trenching, co-trenching, post-trenching), diretti all'attività d'infossamento delle tubazioni, si fa ricorso a tecniche diverse, che possono venire raggruppate in quattro fondamentali famiglie:

Tecniche di dragaggio

Comprendono principalmente tutte le tecniche di dragaggio e di raccolta dei materiali dal fondo con apparati per lo scavo meccanico (fresatura, sgretolamento e incisione della roccia o dei sedimenti più compatti).

In questa categoria sono anche compresi i sistemi d'aspirazione che risucchiano sedimenti e materiali incoerenti con tecniche diverse (pompe idrovore, sorbone, aspira fango).

Tecniche d'impiego degli esplosivi

Rientrano in questa categoria, tutte le tecniche di distruzione e sgretolamento delle rocce del fondo per mezzo di sostanze esplosive, usate in vario modo (cariche cubiche, cariche in fornello, cariche cave, cariche lineari).

Tecniche d'impiego dei getti d'acqua

Il ricorso a getti d'acqua sotto pressione (lancia idraulica) per disperdere, sconvolgere o comunque asportare i sedimenti plastici o incoerenti e fini dal fondo: argille, fanghi, limi, sabbie; ha trovato frequente applicazione, unitamente ad altre tecniche di aspirazione e, talvolta, come sistema unico.

Tecniche d'aratura

Su fondali favorevoli dal punto di vista della profondità, delle caratteristiche dei sedimenti e della morfologia, e possibile fare ricorso a tecniche di vera e propria aratura, governate dalla superficie con il trascinamento di un apparato di scavo meccanico, avente le caratteristiche di un vero e proprio aratro, che separa i sedimenti incidendoli alla profondità voluta; mentre un apposito affusto funge da telaio di guida per fare scorrere il vomere lungo la tubazione, senza arrecarle danno.

Ad eccezione delle tecniche d'impiego degli esplosivi (blasting techniques), che devono essere limitate alle metodologie di pre-scavo per non porre in pericolo l'integrità della condotta, le tecniche di dragaggio (dredging techniques), quelle d'uso dei getti d'acqua sotto pressione (jetting techniques), e quelle di aratura (ploughing techniques), si prestano a essere utilizzate nell'esecuzione di lavori secondo le esigenze delle tre diverse metodologie applicative (pre-trenching, cotrenching, post-trenching), con variazioni e adeguamenti delle attrezzature, che devono naturalmente rispondere alle precise esigenze e alle specifiche finalità dei tre diversi metodi.

Le condizioni specifiche del Mediterraneo e dei suoi fondali, soprattutto per quanto riguarda le batimetrie comprese fra la battigia e l'isobata di 50 metri, rendono di fondamentale importanza la applicazione delle tecniche di scavo con apparati di dragaggio, alle quali si rende necessario abbinare talvolta, come tecniche integrative, le operazioni di brillamento di cariche esplosive. Le tecniche d'impiego di getti d'acqua, e quelle ancora più sporadiche di aratura, trovano un campo di applicazione sensibilmente più limitato. Inoltre le caratteristiche ambientali del Mediterraneo, richiedono, più frequentemente, l'infossamento di tratti di lunghezza relativamente limitata, di tubazioni sottomarine in acque a profondità scarsa, o di poche decine di metri. Gli scavi e le operazioni d'infossamento a profondità superiori ai 50 m sono da considerarsi eventi particolari e non ordinari.

Pertanto, più che sistemi complessi e ingombranti, capaci di totalizzare una notevole produzione giornaliera, ma dotati di scarsa flessibilità, si deve fare affidamento su mezzi di superficie e di fondo, aventi alta capacità di produzione, ma soprattutto maneggevolezza, elasticità di impiego, ampio spettro di capacità di scavo.

Le «talpe» o macchine da scavo Storicamente, l'attività di scavo e infossamento di tubazioni risulta avviata, con tecniche moderne e con macchine interamente controllate dalla superficie, da Ssos (Sub sea oil services) nella seconda metà degli anni '60. Verso la metà degli anni '70, comparve sul mercato italiano e su diversi cantieri costieri impegnati nella costruzione di porticcioli e marine, dedicate alla nascente nautica da diporto, il trattore Komatsu, interamente subacqueo e telecomandato.

Questa macchina, che applicava il principio dello snorkel, introdotto e ampiamente sperimentato dai sottomarini militari germanici, durante il secondo conflitto mondiale, si muoveva su cingoli e poteva intervenire fattivamente, in aree costiere e litoranee per sbancamenti e movimenti di terreno di considerevole consistenza.

In quello stesso periodo di affermò l'Incop (Impresa nazionale costruzione opere pubbliche) di Ancona, che con le proprie macchine di scavo Talpa, Talpetta e Granseola, capaci di infossare tubazioni e cavi sottomarini, svolse una pluriennale attività per Eni e Pirelli.

Le macchine erano azionate idraulicamente, ed erano alimentate e controllate tramite un ombelicale complesso; mentre lo scavo era effettuato da frese meccaniche a disco e a candela, e da idrovore aspiranti.

Tubazioni posate sui fondali, scavo con draghe capaci di operare in profondità con controllo dalla superficie, tuvazione nello stretto di Messina

Negli anni seguenti, entrarono progressivamente e attivamente nel mercato delle attività di scavo sottomarino la Saipem (1985 &emdash; 1995) e successivamente nel 1990 la Cns (Cooperativa nazionale sommozzatori), che ne raccolse l'eredità. In quegli stessi anni, si svilupparono in Italia sistemi di scavo di notevole capacità ed efficacia, comprendenti un abbinamento delle funzioni di taglio meccanico dei sedimenti del fondo (frese, ruote dentate, dischi diamantati), e delle funzioni di aspirazione e rimozione (idrovore, sorbone, pompe aspiranti) dei sedimenti, che venivano risucchiati dallo scavo e scaricati lateralmente allo stesso, costituendo sponde e contrafforti sui bordi della trincea. Anche i metodi di progressione delle macchine di scavo lungo la tubazione sono stati potenziati e perfezionati, comprendendo sistemi basati su principi diversi di avanzamento sul fondo (ruote motrici, cingoli, vite senza fine), sulla tubazione (clampe di presa e tiro, cingoli gommati) o sui punti d'ancoraggio e tiro (corpi morti, ancore, verricelli). Inoltre, le macchine sono state progressivamente dotate di sistemi sicuri ed efficaci di mantenimento della propria posizione e del proprio assetto rispetto alla tubazione, per evitare che il movimento delle frese e organi meccanici di taglio, potesse accidentalmente danneggiarne il rivestimento di cemento che la guarnisce esternamente. Il funzionamento di queste macchine durante la progressione e l'esecuzione dello scavo, è totalmente telecomandato e controllato tramite un ombelicale costituito da un fascio di tubi flessibili, che fornisce l'alimentazione idraulica e pneumatica, e da cavi che collegano i comandi delle diverse funzioni e dei sensori (pressioni, assetto, stabilità, avanzamento, contatto con la tubazione), installati sulla macchina stessa.

Il controllo della macchina, è mantenuto in superficie a bordo della nave appoggio, dove gli operatori intervengono su un pannello di comando, in tutto e per tutto equivalente a quello di un ROV di classe superiore (work class). L'unica differenza sostanziale, è nel diverso impiego delle telecamere e delle immagini video, che in una macchina di scavo, anche nei pochi casi in cui sono presenti le telecamere subacquee, tornano di pochissima utilità a causa della permanente nuvola torbida che circonda la macchina e la zona di lavoro.

La seconda, grande differenza fra un ROV convenzionale e una macchina di scavo del tipo impiegato in bassi fondali (fino a 50 metri di profondità), è costituita dalle procedure d'installazione della macchina sulla tubazione, all'inizio dello scavo, e di sua rimozione al termine dell'intervento.

Questi due interventi, insieme alle altre operazioni intermedie occasionali, che si effettuano nel corso dello scavo, quando vengono incontrati ostacoli imprevisti come cavi, detriti e rottami sotto la tubazione, o anomalie funzionali alla macchina: come intasamenti delle idrovore, blocco delle pompe, rottura delle frese eccetera; richiedono tradizionalmente l'intervento degli operatori tecnici subacquei che possono ben guidare il posizionamento della macchina sul tubo e attivare i meccanismi di stabilizzazione e di assetto sulla tubazione. L'intervento umano da parte dell'operatore iperbarico, con tutti i presupposti procedurali di sicurezza e di tutela della sua incolumità, è di fondamentale importanza e delicatezza e impone naturalmente tutte le corrette pratiche esecutive (adeguato mezzo navale d'appoggio, casco, ombelicale, comunicazioni, coordinamento delle operazioni tra superficie e operatore iperbarico).

Soltanto nelle poche macchine destinate all'impiego in acque profonde e quindi dotate di soluzioni tecniche diverse (es. centraline idrauliche subacquee, anziché in superficie, cavi di potenza elettrica invece delle tubazioni idrauliche

nell'ombelicale, automatismi d'installazione sulla tubazione), queste operazioni sono ridotte e demandate al supporto visivo, da parte di telecamere o di un ROV esterno al sistema, senza che debba intervenire l'operatore iperbarico.

Strettamente collegati alle macchine di scavo, per finalità applicative e per tecnologia applicata alla robotica, sono i sistemi di copertura delle tubazioni per mezzo della ghiaia o dei frammenti di roccia (gravel dumping).

Macchina da scavo a cingoli, sulla quale si collega un piccolo sottomarino con equipaggio di due persone (fine degli anni '70)	Macchina da scavo Sas (Stazione automatica sottomarina) della Snam, realizzata alla fine degli anni '80. Al suo interno conteneva due Rov.

Questi sistemi, soprattutto quando operano in acque profonde, si basano sull'impiego di un tubo di caduta (fall pipe), che con la propria estremità inferiore convoglia nella posizione voluta, sulla tubazione o sopra la trincea che la ospita, un flusso continuo di ciottoli o ghiaia, della pezzatura prescelta.

Uno di questi sistemi, messo in opera dalla società norvegese Stolt Nielsen già negli anni '70, si avvaleva di uno dei primi ROV a gravità, costruito dall'industria dei lavori marini.

Denominato Spider, dotato di telecamere e di tre propulsori orizzontali orientati a 1200, era in grado di mantenere in posizione l'estremità inferiore del tubo di caduta della ghiaia, guidandola sul punto voluto.

Infine, accanto alla vasta panoplia di sistemi e apparati che compongono la robotica subacquea applicata agli scavi e al ricoprimento delle tubazioni, devono essere menzionati i sistemi di prospezione e rilevamento batimetrico, che permettono, mediante sonar a scansione ed ecoscandagli panoramici, di rilevare e registrare la configurazione della trincea scavata; la posizione della tubazione dentro di essa, e l'eventuale evoluzione del ricoprimento spontaneo che si manifesta col tempo.

Tutti questi sensori acustici sono normalmente installati su di un veicolo telecomandato che, contemporaneamente, effettua una registrazione con delle telecamere opportunamente disposte per ispezionare la sommità e i lati della conduttura, e una prospezione strumentale batimorfologica del tracciato percorso.