Tail seal sealants for EPB-TBM

Titolo: Grassi sigillanti per lo scudo di coda delle EPB-TBM di LAMANNA Luigi Franco (multi-disciplinary, full-service engineering consultant) (* ) Title of the article: Tail seal sealants for EPB-TBM

by LAMANNA Luigi Franco (multi-disciplinary, full-service engineering consultant) (*) Sommario Nella mia precedente memoria: “Main bearing greases for TBM EPB”, ho voluto illustrare il sistema di lubrificazione e di riempimento del cuscinetto della “TESTA” rotante di una EPB-TBM con un sistema di sigillante impermeabilizzante chiamato comunemente, dagli addetti ai lavori, “grasso di testa”.

Il grasso impermeabilizzante e sigillante di “testa” abbiamo visto che la sua scarsa qualità può influire all’aspetto critico dell’abbassamento superficiale del terreno, detto fenomeno di “subsidence”, [1] a seguito dello scavo di gallerie metropolitane. Nel caso delle gallerie urbane, tutte queste azioni rappresentano potenziali problemi per le infrastrutture sotterranee, come sottoservizi, reti e condutture, e per le strutture esistenti in superficie, ed in modo particolare, per una città come Roma, per quelle monumentali.

Spaccato di una macchina TBM-EPB Earth pressure balanced shield machine (EPB) [Herrenknecht.de]

Pertanto é tuttavia molto interessante proseguire l’argomento sui “grassi” con questo nuovo articolo nel descrivere il complesso fenomeno del cedimento in coda di una EPB-TBM. Questo può avvenire pur rispettando tutti i vincoli necessari. Questo fenomeno si può verificare, oggetto del presente articolo, anche per la mancanza di tenuta del grasso sigillante impermeabilizzante, iniettato a pressione nello scudo di coda di una EPB-TBM, nell’intervallo esistente tra le 4 file di spazzole metalliche, le quali, durante la fase di avanzamento della fresa, queste (le spazzole metalliche), poggiandosi sulla superficie di estradosso del penultimo/ultimo anello installato dei conci prefabbricati di calcestruzzo armato, creano come se ci fossero 3 camere indipendenti. All'interno di questo spazio voluto tecnicamente dai costruttori delle frese meccanizzate viene iniettato il grasso sigillante impermeabilizzante, atto a prevenire l’ingresso di acqua o gas all'interno dello scudo della EPB-TBM e del tunnel in fase di avanzamento dello scavo.

Slurry shield machine [Herrenknecht.de]

Alcune interpretazione delle concause dei cedimenti indotti dallo scudo di coda di una EPB-TBM in ambiente urbano Come a vostra conoscenza, in qualità di addetti ai lavori, lo scavo meccanizzato di gallerie metropolitane mediante EPB-TBM, produce inevitabilmente un’alterazione dello stato tensio-deformativo del terreno.

L’effetto si risente al livello, quota 0,00 del piano di campagna metropolitano/stradale delle città in modo tanto più sensibile quanto più superficiali sono le gallerie stesse.

Pertanto, in base a quanto è stato sopra detto, a riguardo dei fenomeni di “subsidence”, durante lo scavo di un’opera in sotterraneo, sappiamo che occorrerà rispettare alcuni dei vincoli, che di seguito brevemente mi permetto di riassumere: -

-

evitare il danneggiamento delle infrastrutture e degli edifici in superficie; garantire la sicurezza dei lavoratori in tutte le fasi di lavoro; controllare l’incremento delle sollecitazioni nel rivestimento provvisorio che può risultare dal decadimento dei parametri di resistenza dei terreni, da carichi asimmetrici (dovuti alla geomorfologia, come in prossimità di un’altra cavità), ed eterogeneità del terreno; evitare l’innesco e la ri-mobilitazione di fenomeni di instabilità di versante.

Esempio tipico di rappresentazione grafica della curva di subsidenza per diversi valori di k a parità degli altri parametri in corrispondenza di un tunnel superficiale. Il parametro k dipende dalle caratteristiche del terreno ed è associato all’ampiezza della curva di subsidenza.

Ma, a mio avviso, occorre tenere conto anche delle possibili e reali correlazioni dirette fra gli abbassamenti misurati in superficie, osservazioni che pochi tecnici rilevano circa lo sviluppo meccanico dei fattori che può contribuire la scarsa qualità di un grasso sigillante di coda ad un cedimento della EPB-TBM, e come anche, molte volte succede, i cedimenti sono dovuti anche all’impiego non corretto e sull’uso non corretto di prodotti di condizionamento.

Infatti, lo scavo e le modalità con cui questo viene effettuato, producono lo sviluppo di cedimenti [Subsidence] che si propagano anche a grandi distanze e possono avere un impatto a volte anche catastrofico con l’ambiente urbano. Non è il mio obiettivo l’analisi e l’interpretazione delle misure della subsidenza in questo articolo. Faccio solo notare, in base alle osservazioni fatte durante la mia personale esperienza in questo settore, che, la maggiore aliquota del cedimento si manifesta durante il passaggio della EPB-TBM. Pertanto i movimenti del terreno indotti durante questa fase possono essere dipendenti anche dalle caratteristiche geometriche in corrispondenza della coda dello scudo per la mancanza di “sigillo” del “grasso sigillante”. Quindi, voglio dire e fare presente che, il “grasso sigillante” gioca un ruolo non trascurabile nella perdita di pressione e sul conseguente cedimento in corrispondenza della coda dello scudo.

Infatti, un aeree metropolitane, l’impiego delle EPB-TBM è l’ideale, perché la loro particolarità è quella dovuta alla loro capacità di potere essere impiegate principalmente in terreni non compatti e con la presenza di un’elevata componente di argilla, miscela argillosa e limo.

L’impiego di questo tipo di fresa orizzontale, denominata TBM evita, durante la fase di scavo la perdita di stabilità del fronte di scavo grazie all’introduzione di una contropressione di sostegno, che viene assicurata da parte dello stesso terreno scavato principalmente dalla testa fresante [cutting wheel] all’interno della camera di scavo [excavation chamber].

Fresa di tipo EPB: schema grafico di sostegno del fronte mediante lo stesso materiale di scavo

Ripeto, questo studio non vuole prendere in esame i cedimenti associati allo scavo, tuttavia faccio una brevissima analisi a posteriori accennando l’influenza di differenti parametri di scavo, quali, ad esempio, che occorre mantenere costante la pressione di lavoro all'interno della camera di scavo, tenendo in conto tanto delle caratteristiche del terreno da scavare quanto le condizioni idrostatiche esistenti in sito, come: la quota della falda, se presente, rispetto alla quota della calotta del tunnel, i gradienti idraulici di filtrazione dell’acqua, la permeabilità del terreno, ecc.

Sotto l'azione combinata della spinta di avanzamento dello scudo, fornita dai cilindri di spinta [“thrust cylinders”] e della rotazione della testa di scavo, il terreno viene asportato dal fronte e fluisce nella camera di scavo attraverso delle aperture presenti sulla testa, da dove viene poi estratto mediante coclea [“screw conveyor”], posizionata nella parte inferiore della paratia.

Il materiale scavato, in questa fase iniziale del suo percorso, svolge la funzione di sostegno nella camera di scavo solo se dotato e condizionato da buone caratteristiche di deformabilità plastica, e se necessario, ottenute integrando il materiale stesso con eventuali additivi come bentonite e schiume (prodotti condizionanti), iniettati a pressione controllata nel terreno attraverso opportuni ugelli localizzati sulla testa di scavo e nella paratia della camera.

Il materiale, estratto dalla coclea, è scaricato poi su una serie di nastri che lo portano fuori dalla galleria (nastro trasportatore primario e secondario).

Durante le normali operazioni di avanzamento, la camera di scavo è completamente riempita dal materiale (condizionato) plasticizzato: tale situazione è detta di “Closed mode”, e si rende necessaria per prevenire l’eventuale formazione di accumuli di grisù.

La camera di scavo è completamente riempita con il terreno di scavo (smarino) è viene pressurizzata. La pressione applicata equilibra le pressioni della terra e delle acque sotterranee se presenti. Questa modalità operativa è richiesta in terreni soffici instabili sotto la falda freatica. Inoltre, l'afflusso di acqua incontrollata può essere impedito durante lo scavo quando la pressione di supporto è sufficientemente elevata.

Da quanto sopra indicato, si possono desumere i principi fondamentali del sistema di smarino a pressione bilanciata, ovvero, il terreno scavato può essere scaricato continuamente attraverso la coclea, mantenendo in contemporanea una pressione sufficiente sul terreno al fronte di scavo. Pertanto, operativamente, quando la macchina avanza, deve assolutamente: -

mantenere completamente piena la camera di pressione; supportare il fronte;

-

e smarinare.

Il metodo migliore per eseguire quest’operazione è di controllare il volume del materiale scavato e di quello smarinato in modo che questi rimangano sempre uguali.

Questa breve analisi sin qui condotta vuole solo fare comprendere che occorre interpretare le misure di sito e di avere una dettagliata descrizione di dettaglio dello scavo con frese EPB-TBM con specifiche condizioni di competenza nell’esaminare attentamente il sito nonché l’impiego di materiali di consumo che devono essere di grande qualità (in particolare i grassi sigillanti impermeabilizzanti) per evitare in anticipo dei danni potenziali che possono subire le strutture esistenti in interazione con lo scavo e l’avanzamento di una EPB-TBM.

Scudo di coda - "TAILSKIN" Procedendo sull’argomento, oggetto del presente articolo, lo scudo di coda di una EPB-TBM è rigidamente collegato mediante saldatura e bullonatura allo scudo frontale, che è la zona all'interno della quale verrà realizzata l'operazione di montaggio l'anello di conci in calcestruzzo armato prefabbricato, mediante una struttura amovibile denominata “erettore”.

Scudo di coda - "TAILSKIN"

Le iniezioni di grasso sono realizzate in gruppi di 3 punti di iniezione ciascuno (uno per ogni camera tra le spazzole), opportunamente distribuiti lungo la circonferenza dello scudo di coda e alimentati da 3 linee di iniezione indipendenti.

Infine la parte terminale della camicia di acciaio dello scudo di coda ospita un numero di linee, opportunamente distribuite lungo la circonferenza, per le iniezioni di miscela bicomponente di intasamento che verrà iniettata a tergo dei conci (è lo spazio anulare che si forma tra l'estradosso dell'anello in calcestruzzo e il terreno/roccia). La miscela bicomponente, da iniettare a tergo dei conci, è una miscela formata da acqua, cemento e accelerante. La sua iniezione inizia dopo 10 cm di avanzamento effettuati e termina 10 cm dalla fine dello scavo.

Ogni linea alimenta due punti di iniezione (uno principale e uno di riserva), in modo da permettere il funzionamento anche in caso di blocco del punto di iniezione principale, deviando l'iniezione sul punto di riserva.

Ogni punto di iniezione del grasso sigillante e della miscela bicomponente è dotato di un sensore di pressione, è quindi possibile verificare in ogni istante che la pressione di iniezione del grasso sigillante di coda sia mantenuta maggiore rispetto alla pressione di iniezione della miscela bi- componente.

Indicazione sullo scudo di coda dei punti di iniezione del grasso nelle spazzole e della malta bi-componente

Il consumo di grasso sigillante impermeabilizzante dello scudo di coda, comprende un quantitativo variabile di grasso [consumo: 0,6 – 1,5 kg/m²] per le spazzole di coda pompato da ognuna delle 3 pompe predisposte; il quantitativo maggiore di grasso consumato per sigillare le 3 camere che le file di spazzole di coda creano è per renderle così impermeabili al passaggio di metano, mentre le altre tipologie si assestano, complessivamente, attorno ad un valore di un ordine di grandezza inferiore rispetto a questo.

Requisiti generali che deve possedere un grasso sigillante di tenuta impermeabile per le spazzole dello scudo di coda di una EPB-TBM Quindi, voglio di nuovo ripetere che, secondo quanto sopra illustrato i cedimenti del terreno, durante la fase di scavo di una galleria mediante una EPB-TBM, dipendono da diversi fattori, quali: le proprietà meccaniche dei terreni/rocce attraversate, il contesto geomorfologico, le coperture, l’area della sezione di scavo, la tipologia della sezione d’avanzamento e le fasi delle lavorazioni e moltissime volte dalla mancanza di tenuta impermeabilizzante e sigillante del grasso di coda.

Particolare delle spazzole di coda

Infatti il composto sigillante deve essere progettato e prodotto per sigillare l'estremità di coda della EPBTBM contro acque sotterranee (fresche o marine), malta e liquame di bentonite (se utilizzato).

Schema delle 4 file di spazzole che formano le 3 camere del grasso

Deve avere ottima resistenza contro: - il dilavamento dell'acqua; - il deflusso e/o estrusione; - la pressione meccanica.

Inoltre, deve avere buone proprietà di pompaggio su una vasta gamma di temperature, buone caratteristiche di bagnabilità, forti proprietà adesive, buona stabilità (nessuna separazione dei fluidi) durante lo stoccaggio per diversi mesi e sotto pressione e una bassissima tossicità verso l'ambiente.

a)- Biodegradabilitità Il prodotto non deve contenere sostanze che siano nel contempo: non-biodegradabili e (potenzialmente) bio-accumulative. Un grasso sigillante di tenuta impermeabile per le spazzole dello scudo di coda di una EPB-TBM per essere dichiarato “biodegradabile”, per essere impiegato, e deve essere classificato WGK0 [oggi: WGK1] da un laboratorio statale accreditato, come può essere in Italia l’Istituto d’Igiene. Tuttavia, il prodotto può contenere una o più sostanze che presentino un certo grado di degradabilità e di bioaccumulazione potenziale o effettiva, sempre che la loro concentrazione cumulativa di massa non superi i valori indicati nel punto 3 della GUCE L 118/31. a.1)- Metodi di prova per determinare la biodegradabilità I metodi da utilizzare ai fini della determinazione della biodegradabilità rapida sono il metodo OCSE 301 serie A-F, i metodi ISO e ASTM equivalenti o il rapporto BOD 5/(DThO o COD). Il rapporto BOD5/(DThO o COD) può essere utilizzato soltanto se non esiste alcun dato disponibile sulla base del metodo di prova OCSE 301 o di metodi equivalenti. Il BOD 5 deve essere valutato sulla base del metodo C.5 [direttiva 92/69/CEE della Commissione ] o dei metodi equivalenti, mentre il COD deve essere valutato sulla base del metodo C.6 (direttiva 92/69/CEE) o metodi equivalenti. Per determinare la biodegradabilità intrinseca, va utilizzato il metodo di prova OCSE 302 C o metodi equivalenti. a.2)-Materie prime utilizzati durante la produzione del grasso di coda Le materie prime del formulato di grasso deve avere un tasso di carbonio derivante da materie prime rinnovabili: ≥ 45% (m/m) .

Per tasso di carbonio derivante da materie prime riciclabili, si intende la percentuale della massa del componente A × [numero di atomi di carbonio nel componente A derivanti da oli (vegetali) o da grassi (animali) diviso per il numero totale di atomi di carbonio nel componente A] più la percentuale della massa del componente B × [numero di atomi di carbonio nel componente B derivanti da oli (vegetali) o da grassi (animali) diviso per il numero totale di atomi di carbonio nel componente B] più la percentuale della massa del componente C per [numero di atomi di carbonio nel componente C] e così via, secondo quanto previsto al punto 5 GUCE L 118/33.

a.3)-Requisiti aggiuntivi in materia di tossicità acquatica I requisiti concernente il formulato di grasso ed i suoi principali componenti devono essere forniti, dal produttore dei grassi, dati sulla tossicità acquatica: sia del formulato che dei componenti principali.

- La concentrazione critica per la tossicità acquatica di ciascun componente principale non deve essere inferiore a 100 mg/l; la prova deve essere effettuata su alghe e dafnie (OCSE 201 e 202).

- La concentrazione critica per la tossicità acquatica di grassi ed altri prodotti di lubrificazione a perdita totale non deve essere inferiore a 1 000 mg/l.

In particolare i grassi possono essere valutati fornendo soltanto dati per il preparato ed i componenti principali se l'agente addensatore [2] presenta una biodegradabilità a termine (cfr. criterio 3) o una biodegradabilità intrinseca che soddisfa le seguenti condizioni: -

biodegradazione > 70% nella prova OCSE 302 C di biodegradabilità intrinseca o con metodi di prova equivalenti, biodegradazione > 20% ma < 60 % dopo 28 giorni nelle prove OCSE 301 basate sulla riduzione di ossigeno o la produzione di diossido di carbonio, biodegradazione > 60 % nella prova ISO 14593 (CO2 headspace test).

La prova di tossicità acquatica di ciascun componente deve essere determinata sul preparato deve essere effettuata sui tre gruppi di specie (OCSE 201, 202 e 203) o metodi equivalenti, secondo ai criteri contenuti al punto 2.1-2.2 GUCE L 118/29. a.4) – Caratteristiche di performance Inoltre un grasso sigillante di tenuta impermeabile per le spazzole dello scudo di coda di una EPB-TBM deve possedere delle ottime caratteristiche di performance secondo la tabella sotto indicata:

Characteristic Water Resistance to 8 bar for 5 minutes (test method – Annex B.2)

Class A

Class B

Class C

Pass 1.0 mm mesh in > 5 minutes

Pass 0.5 mm mesh in > 5 minutes

Pass 0.5 mm mesh in < 5 minutes

< 30 mm @ 20° C

< 30 mm @ 20° C

More than 8 minutes

Slump test (test method – Annex B.1)

< 30 mm @ 20° C

Self extinguishing to fire (test to Underwriters Laboratories 94)

Less than 5 minutes

5 – 8 minutes

Percentage weight loss after fire test

<3%

< 10 %

Flash point

>200° C

150 – 200° C

>10 %

-

a.5) – Test del grasso sigillante di tenuta impermeabile per le spazzole dello scudo di coda di una EPBTBM - (EFNARC 2001)

a.5.1) – Slump test – Annex B.1 Scopo: Un semplice test per caratterizzare l'adesione e il collasso di un sigillante di coda a schermatura EPB-TBM, quando è a contatto con superfici metalliche.

Metodo: Posizionare il supporto «A» in orizzontale. Stendere il sigillante «C» sulla piastra di acciaio per ottenere uno strato omogeneo di circa 2-3 mm di spessore. Quindi posizionare la piastra superiore «B» sullo strato di sigillante e applicare un carico di 2 kg sulla parte superiore per 2 minuti. Rimuovere il carico e sollevare il supporto in posizione verticale.

Un minuto dopo, misurare il movimento verticale della "piastra superiore" «B».

La temperatura del campione deve essere compresa tra 20 e 25° C (a meno che non siano richiesti requisiti diversi).

Schema dell'attrezzatura per i test:

Le piastre hanno dimensioni di 100 x 100 x 10 mm e il loro peso è di 285 g. a.5.2) – Water Pressure test – Annex B.2 Viene determinata la resistenza alla pressione dell’acqua del grasso sigillante ad essere forzato attraverso una rete metallica.

A seguire illustrazione dello schema del metodo di prova.

Altre caratteristiche come: densità, colore, odore e consistenza devono essere indicate e descritte dal produttore del grasso sigillante e devono essere conformi ai limiti sopra dichiarati, caso contrario il prodotto non deve essere accettato in sito in quanto non-conforme alle indicazioni richieste dalle case produttrici di frese EPB-TBM. Conclusione Nella breve nota conclusiva vorrei porre abche l’attenzione sull’influenza dell’equipaggio della EPB-TBM [Crew Efficiency Factor]: nella costruzione dei tunnel, appare evidente come la qualificazione e

l’esperienza dell’equipaggio a lavorare all’interno di una EPB-TBM, che manovrano la macchina tutti i giorni, abbiano una qualifica eccezionale ed un’importante influenza sulle performance che saranno ottenute.

Inoltre, noi tecnici che operiamo in questo settore, siamo a conoscenza il ruolo importante che hanno alcuni parametri di scavo, sul fenomeno della subsidenza. In particolare quello di evidenziare una possibile influenza sui cedimenti che può avere anche il grasso sigillante di coda, in modo particolare per la sua mancanza della fondamentale tenuta impermeabilizzante allo scudo di coda della EPB-TBM. Pertanto, mi permetto di suggerire, ai tecnici che formano l’equipaggio all’interno della EPB-TBM, di verificare a monte la costante qualità del prodotto di consumo, oggetto del presente articolo, dove, il produttore, deve garantire la costanza sulla qualità del prodotto fornito e sui dati tecnici indicati.

Numerosi costruttori di frese meccanizzate OEM (Original Equipment Manufacturers) sono in grado di fornire la propria approvazione in relazione ai grassi da utilizzare per le EPB-TBM di loro produzione.

La maggior parte di essi sono in grado di fare una selezione, mediante dei TEST sopra descritti, talvolta suggerendo delle modifiche per adattarli a evidenziare l’uso pratico per le loro EPB-TBM. A tale riguardo ricordo che un buon prodotto deve poter essere impiegato per un utilizzo sia in climi temperati che a quelli caldi; naturalmente la temperatura di operatività deve rimanere in ogni caso al di sopra degli 8° C ed il prodotto deve garantire un’aderenza a qualunque tipo di supporto metallico o in calcestruzzo, anche sott’acqua.

Nella tabella che segue vengono indicate le caratteristiche tecniche che deve possedere un grasso sigillante per la tenuta dello scudo di coda della EPB-TBM .

Form

It must be in the form of a homogeneous paste

Color

Gray - Beige

Density – kg/m3 at 20° C

1300 - 1750  0.05

Consistency – ASTM D 217-97 (1/10 mm) at 25° C

240– 270  10

Fire point

>205° C

Scrolling at 25° C – MCC11

Min >30

Pompability – NTF 60139 at 10 bar at 25° C – g/min

40 – 55

Water Wash-out – ASTM D 4049 - %

<7

Infine, la disponibilità di impiegare prodotti affidabili, per la previsione di possibili danni sulle strutture esistenti è, quindi, essenziale, e, a mio avviso, occorre trovare il modo come inserire, all’interno delle analisi di un processo di scavo simulato, per consentire con accuratezza la definizione di adeguati valori di riferimento per contribuire a ridurre la subsidenza dei terreni durante la fase di scavo.

Note: [1] - Il grasso sigillante e impermeabilizzante di coda è un prodotto di lubrificazione utilizzato nelle EPB TBM per il riempimento delle spazzole dello scudo di coda della fresa. Lo scopo dell'utilizzo è quello di prevenire il flusso di acqua, e del materiale di riempimento a tergo dei conci e della terra all’interno della TBM EPB. [2] - agente addensante è una sostanza nel fluido di base utilizzata per addensare o modificare la reologia di un di un grasso.

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Title of the article: Tail seal sealants for EPB-TBM

by LAMANNA Luigi Franco (multi-disciplinary, full-service engineering consultant) (*) Summary In my previous memory: "Main bearing greases for TBM EPB", I wanted to illustrate the lubrication and filling system of the bearing of the rotating "HEAD" of an EPB-TBM with a waterproofing sealant system commonly called by professionals, "Greases".

The "Head" waterproofing and sealing grease we have seen that its poor quality can affect the critical aspect of the surface subsidence of the ground, called "subsidence", [1] following the excavation of metropolitan tunnels. In the case of urban tunnels, all these actions represent potential problems for underground infrastructures, such as underground services, networks and pipelines, and for existing structures on the surface, and in particular, for a city like Rome, for monumental ones.

Earth pressure balanced shield machine (EPB) [Herrenknecht.de]

Therefore, however, it is very interesting to continue the topic of "greases" with this new article in describing the complex phenomenon of the failure of an EPB-TBM in the tail. This can happen while respecting all the necessary constraints. This phenomenon can occur, subject of this article, also due to the lack of sealing of the waterproofing sealing grease, injected under pressure into the tail shield of an EPB-TBM, in the interval existing between the 4 rows of wire brushes, which, during the advancement phase of the cutter, these (the wire brushes), resting on the extrados surface of the penultimate / last installed ring of precast reinforced concrete segments, create as if there were 3 independent chambers. The waterproofing grease sealer is injected into this space technically desired by the manufacturers of mechanized drills, which prevents water or gas from entering the shield of the EPB-TBM and the tunnel during the excavation phase.

Slurry shield machine [Herrenknecht.de]

Some interpretation of the causes of subsidence induced by the tail of a shield TBM-EPB in an urban environment As you know, as experts, the mechanized excavation of metropolitan tunnels by means of EPB-TBM inevitably produces an alteration of the stress-strain state of the soil. The effect is affected by the level, quota 0.00 of the metropolitan/road campaign plan of the cities, in a more sensitive way the more superficial the galleries themselves are.

Therefore, based on what has been said above, regarding the "subsidence" phenomena, during the excavation of an underground work, we know that it will be necessary to respect some of the constraints, which I briefly allow you to summarize below: - avoid damage to infrastructure and buildings on the surface; - guarantee the safety of workers in all phases of work; - controlling the increase of the stresses in the provisional coating which may result from the decay of the soil strength parameters, by asymmetric loads (due to the geomorphology, as in the vicinity of another cavity), and heterogeneity of the soil; - avoid the trigger and re-mobilization of slope instability phenomena.

A typical example of graphical representation of subsidence curve for different values of k everything else being equal parameters at a surface tunnel. The parameter k depends on the characteristics of the soil and is associated with the amplitude of the subsidence curve.

But, in my opinion, it is also necessary to take into account the possible and real direct correlations between the lowerings measured on the surface, observations that few technicians point out about the mechanical development of the factors that can contribute to the poor quality of a tail sealing grease to a failure of the EPB-TBM, and as it also happens many times, the failures are also due to the incorrect use and incorrect use of conditioning products.

In fact, the excavation and the manner in which this is carried out, producing the development of sagging [Subsidence] which also propagate over large distances and may have an impact sometimes even catastrophic with the urban environment. It is

not my goal to analyze and interpret subsidence measures in this article. I only point out, based on the observations made during my personal experience in this sector, that the highest rate of failure occurs during the passage of the EPB-TBM. Therefore the ground movements induced during this phase can also be dependent on the geometric characteristics at the tail of the shield due to the lack of "seal" of the "sealing grease". So, I want to say and point out that, the "sealing grease" plays a not negligible role in the loss of pressure and on the consequent yielding at the tail of the shield.

In fact, a metropolitan area, the use of EPB-TBM is ideal, because their particularity is due to their ability to be used mainly in non-compact soils and with the presence of a high clay component, mixture clayey and silt.

The use of this type of horizontal cutter, called TBM, avoids, during the excavation phase, the loss of stability of the excavation face thanks to the introduction of a support back pressure, which is ensured by the same soil excavated mainly by the milling head [cutting wheel] inside the excavation chamber.

EPB type cutter: graphic scheme of the front support through the same excavation material

I repeat, this study does not want to take into consideration the subsidence associated with the excavation, however I do a very brief analysis in the aftermath, mentioning the influence of different excavation parameters, such as, for example, that it is necessary to keep the working pressure constant inside the chamber. excavation, taking into account both the characteristics of the soil to be excavated and the hydrostatic conditions existing on site, such as: the altitude of the aquifer, if present, compared to the height of the tunnel shell, the hydraulic gradients of water filtration, the permeability soil, etc.

Under the combined action of the forward thrust of the shield, provided by the thrust cylinders and the rotation of the excavation head, the soil is removed from the front and flows into the excavation chamber through openings on the head, from where it is then extracted by means of an auger [“screw conveyor”], positioned in the lower part of the bulkhead.

The excavated material, in this initial phase of its path, performs the function of support in the excavation chamber only if equipped and conditioned by good characteristics of plastic deformability, and if necessary, obtained by integrating the material itself with any additives such as bentonite and foams (conditioning products), injected at controlled pressure into the ground through appropriate nozzles located on the excavation head and in the chamber bulkhead.

The material, extracted from the auger, is then unloaded onto a series of belts which take it out of the tunnel (primary and secondary conveyor belt).

During normal advancement operations, the excavation chamber is completely filled with the plasticized (conditioned) material: this is called "closed mode", and is necessary to prevent the possible formation of accumulations of grisù.

The excavation chamber is completely filled with the excavation soil (mucking) and is pressurized. The applied pressure balances the pressures of the earth and groundwater if present. This operating mode is required in unstable soft soils under the water table. Furthermore, the flow of uncontrolled water can be prevented during excavation when the support pressure is high enough.

From the above, the fundamental principles of the balanced pressure sludge system can be deduced, that is, the excavated soil can be continuously discharged through the auger, while maintaining sufficient pressure on the ground at the same time as the excavation face. Therefore, operationally, when the machine moves forward, it must absolutely: - keep the pressure chamber completely full; - support the front; - dig and take away the soil.

The best method to perform this operation is to check the volume of the excavated and de-marred material so that these always remain the same.

This brief analysis carried out so far only wants to make it clear that it is necessary to interpret the site measurements and to have a detailed description of the excavation with EPB-TBM cutters with specific conditions of competence in carefully examining the site as well as the use of consumption which must be of high quality (in particular waterproofing sealing greases) in order to avoid in advance the potential damage that existing structures may suffer in interaction with the excavation and progress of an EPB-TBM. Tail shield - "TAILSKIN" Proceeding on the subject, object of the present article, the tail shield of an EPB-TBM is rigidly connected by welding and bolting to the front shield, which is the area inside which the assembly operation will be carried out. prefabricated reinforced concrete segments, through a removable structure called "erector".

Tail shield - "TAILSKIN"

The grease injections are carried out in groups of 3 injection points each (one for each chamber between the brushes), suitably distributed along the circumference of the tail shield and fed by 3 independent injection lines.

Finally, the terminal part of the steel jacket of the tail shield houses a number of lines, suitably distributed along the circumference, for the injections of a two-component clogging mixture that will be injected on the back of the segments (it is the annular space that forms between the extrados of the concrete ring and the ground / rock).

The two-component mixture, to be injected on the back of the segments, is a mixture made up of water, cement and accelerator. Its injection begins after 10 cm of advancement and ends 10 cm from the end of the excavation.

Each line feeds two injection points (one main and one reserve), so as to allow operation even if the main injection point is blocked, by diverting the injection to the reserve point.

Each injection point of the sealing grease and the two-component mixture is equipped with a pressure sensor, therefore it is possible to check at any time that the injection pressure of the tail sealing grease is kept higher than the injection pressure of the two-component mixture.

Indication on the tail shield of the fat injection points in the brushes and of the bi-component mortar

The consumption of waterproofing grease sealing the tail shield includes a variable quantity of grease [consumption: 0.6 - 1.5 kg / m²] for the tail brushes pumped by each of the 3 pumps set up; the greater quantity of grease consumed to seal the 3 chambers that the rows of tail brushes create is to make them so impermeable to the passage of methane, while the other types settle, overall, around a value of an order of magnitude lower than this.

General requirements that a waterproof sealing grease must have for the tail shield brushes of an EPBTBM So, I want to repeat again that, according to what illustrated above, the subsidence of the soil, during the excavation phase of a tunnel using an EPB-TBM, depend on several factors, such as: the mechanical properties of the soils / rocks crossed, the geomorphological context , the roofs, the area of the excavation section, the type of advancement section and the processing phases and many times due to the lack of waterproofing and sealing properties of the tail grease.

Detail of the tail brushes

In fact, the sealing compound must be designed and produced to seal the tail end of the EPB-TBM against groundwater (fresh or marine), mortar and bentonite slurry (if used).

Scheme of the 4 rows of brushes that form the 3 grease chambers

It must have excellent resistance against: - water washout; - outflow and / or extrusion; - mechanical pressure.

In addition, it must have good pumping properties over a wide range of temperatures, good wettability characteristics, strong adhesive properties, good stability (no separation of fluids) during storage for several months and under pressure and very low toxicity to the environment. a) - Biodegradability The product must not contain substances that are at the same time: nonbiodegradable and (potentially) bio-accumulative. A waterproof sealing grease for the

tail shield brushes of an EPB-TBM to be declared "biodegradable", to be used, and must be classified WGK0 [today: WGK1] by an accredited state laboratory, as it can be in Italy the Institute of Hygiene. However, the product may contain one or more substances which present a certain degree of degradability and potential or actual bioaccumulation, provided that their cumulative mass concentration does not exceed the values indicated in point 3 of GUCE L 118/31. a.1) - Test methods to determine biodegradability The methods to be used for the determination of rapid biodegradability are the OCSE 301 series A-F method, the ISO and ASTM equivalent methods or the BOD 5 / (DThO or COD) ratio. The BOD5 / (DThO or COD) ratio can be used only if there is no data available on the basis of the OCSE 301 test method or equivalent methods. BOD 5 must be assessed on the basis of method C.5 [Commission Directive 92/69 / EEC] or equivalent methods, while COD must be assessed on the basis of method C.6 (Directive 92/69 / EEC) or methods equivalent. To determine intrinsic biodegradability, the OCSE 302 C test method or equivalent methods should be used. a.2) - Raw materials used during the production of tail grease The raw materials of the fat formulation must have a carbon rate deriving from renewable raw materials: ≥ 45% (m / m).

By carbon rate from recyclable raw materials, we mean the percentage of the mass of component A × [number of carbon atoms in component A deriving from oils (vegetables) or fats (animals) divided by the total number of carbon atoms in component A] plus the percentage of the mass of component B × [number of carbon atoms in component B deriving from oils (vegetables) or from fats (animals) divided by the total number of carbon atoms in component B] plus the percentage of the mass of component C for [number of carbon atoms in component C] and so on, according to the provisions of point 5 GUCE L 118/33. a.3) - Additional aquatic toxicity requirements The requirements concerning the fat formulation and its main components must be provided by the fat producer, data on aquatic toxicity: both of the formulation and of the main components.

- The critical concentration for the aquatic toxicity of each main component must not be less than 100 mg / l; the test must be carried out on algae and daphnia (OCSE 201 and 202).

- The critical concentration for aquatic toxicity of greases and other total loss lubrication products must not be less than 1 000 mg / l.

In particular, fats can be evaluated by providing only data for the preparation and the main components if the thickening agent [2] exhibits term biodegradability (see criterion 3) or intrinsic biodegradability that satisfies the following conditions: - biodegradation > 70% in the OCSE 302 C intrinsic biodegradability test or with equivalent test methods, - biodegradation > 20% but < 60% after 28 days in the OCSE 301 tests based on the reduction of oxygen or the production of carbon dioxide, biodegradation > 60% in the ISO 14593 test (CO2 headspace test).

The aquatic toxicity test of each component must be determined on the preparation must be carried out on the three groups of species (OCSE 201, 202 and 203) or

equivalent methods, according to the criteria contained in point 2.1-2.2 GUCE L 118/29. a.4) - Performance characteristics In addition, a waterproof sealing grease for the tail shield brushes of an EPB-TBM must have excellent performance characteristics according to the table below:

Characteristic Water Resistance to 8 bar for 5 minutes (test method – Annex B.2)

Class A

Class B

Class C

Pass 1.0 mm mesh in > 5 minutes

Pass 0.5 mm mesh in > 5 minutes

Pass 0.5 mm mesh in < 5 minutes

< 30 mm @ 20° C

< 30 mm @ 20° C

More than 8 minutes

Slump test (test method – Annex B.1)

< 30 mm @ 20° C

Self extinguishing to fire (test to Underwriters Laboratories 94)

Less than 5 minutes

5 – 8 minutes

Percentage weight loss after fire test

<3%

< 10 %

Flash point

>200° C

150 – 200° C

>10 %

-

a.5) - Test of waterproof sealing grease for the tail shield brushes of an EPB-TBM - (EFNARC 2001) a.5.1) - Slump test - Annex B.1 Purpose: A simple test to characterize the adhesion and collapse of an EPB-TBM shielded tail sealant when in contact with metal surfaces.

Method: Position the support «A» horizontally. Spread sealant «C» on the steel plate to obtain a homogeneous layer of about 2-3 mm thick. Then place the upper plate «B» on the layer of sealant and apply a load of 2 kg on the upper part for 2 minutes. Remove the load and lift the stand upright.

A minute later, measure the vertical movement of the "top plate" «B».

The temperature of the sample must be between 20 and 25 ° C (unless different requirements are required).

Test equipment diagram:

The plates have dimensions of 100 x 100 x 10 mm and their weight is 285 g.

a.5.2) - Water Pressure test - Annex B.2 The resistance to water pressure of the sealing grease to be forced through a metal mesh is determined.

Following illustration of the scheme of the test method.

Other characteristics such as: density, color, odor and consistency must be indicated and described by the manufacturer of the sealing grease and must comply with the limits stated above, otherwise the product must not be accepted on site as it does not comply with the indications required by the houses. EPB-TBM cutters manufacturers.

Conclusion In the brief concluding note I would like to focus on the influence of the crew of the EPB-TBM [ Crew Efficiency Factor]: in the construction of the tunnels, it is evident how the qualification and experience of the crew to work within a EPB-TBM, which operate the machine every day, have an exceptional qualification and an important influence on the performance that will be obtained.

Furthermore, we technicians operating in this sector are aware of the important role that some excavation parameters have on the phenomenon of subsidence. In particular, to highlight a possible influence on sagging that even tail sealing grease can have, in particular due to its lack of the fundamental waterproofing seal to the tail shield of the EPB-TBM. Therefore, I would like to suggest, to the technicians who train the crew within the EPB-TBM, to check upstream the constant quality of the consumer product, object of this article, where, the manufacturer, must guarantee consistency on quality of the product supplied and on the technical data indicated.

Numerous manufacturers of mechanized OEM (Original Equipment Manufacturers) cutters are able to provide their approval in relation to the greases to be used for the EPB-TBM of their production.

Most of them are able to make a selection, using the TESTS described above, sometimes suggesting modifications to adapt them to highlight the practical use for their EPB-TBM. In this regard, I remember that a good product must be able to be used for use in both temperate and warm climates; of course, the operating temperature must in any case remain above 8° C and the product must guarantee adherence to any type of metal or concrete support, even under water.

The following table shows the technical characteristics that a sealing grease must have for sealing the tail shield of the EPB-TBM.

Form

It must be in the form of a homogeneous paste

Color

Gray - Beige

Density – kg/m3 at 20° C

1300 - 1750  0.05

Consistency – ASTM D 217-97 (1/10 mm) at 25° C

240– 270  10

Fire point

>205° C

Scrolling at 25° C – MCC11

Min >30

Pompability – NTF 60139 at 10 bar at 25° C – g/min

40 – 55

Water Wash-out – ASTM D 4049 - %

<7

Finally, the willingness to use reliable products to predict possible damage to existing structures is therefore essential and, in my opinion, it is necessary to find ways to insert, in the analysis of a simulated excavation process, to accurately allow the definition of adequate reference values to help reduce soil subsidence during the excavation phase.

Note: [1] - The tail sealing and waterproofing grease is a lubrication product used in EPB TBMs for filling the tail shield brushes of the cutter. The purpose of use is to prevent the flow of water, grouting material and soil inside the EPB TBM. [2] - thickening agent is a substance in the base fluid used to thicken or modify the rheology of a grease.

(*) - LAMANNA LUIGI FRANCO

Independent consultant tunneling , mining and oil specialized in mechanized tunneling with Hard Rock TBM and soft soil EPB Shields expert and consultant in structural reinforcement.

LAMANNA Luigi Franco, performs for 40 years professional consulting and technical direction in the various sectors of civil, industrial, military, hydraulics, railway, highway and recent years in the sector of “tunneling” and “mining” on the correct use of special “resin” and related technologies for consolidation, repair and maintenance of masonry, concrete, iron and wood.

Is the author of numerous scientific publications and is always engaged in the study and development of “innovative materials” and related techniques and technologies used.