Metodi di perforazione e tecnica dell’iniezione

Mentre l’iniezione di rocce fessurate con miscele cementizie è un’operazione relativamente semplice, il trattamento dei terreni sciolti richiede un’elevata qualificazione ed esperienza da parte dei progettisti e degli esecutori.

Sulla base dei dati sperimentali (caratteristiche del terreno e delle miscele) e dei dati di progetto può essere definita la più adeguata geometria di trattamento, ossia la distribuzione, l’orientamento e la profondità dei fori di iniezione, in modo da assicurare ovunque il minimo interasse prescritto. Gli interassi dei fori sono comunque generalmente compresi tra 1.5 e 2.5 m.

I fori, di diametro variabile generalmente fra 65 e 130 mm, vengono eseguiti mediante perforazione a rotazione o rotopercussione, e più generalmente a percussione utilizzando, a seconda delle necessità, fluidi di circolazione (acqua o fango bentonitico) e rivestimenti provvisori.  In ogni caso il metodo di perforazione deve assicurare il minimo disturbo al terreno da trattare e garantire il rispetto della geometria di progetto.

Le tecniche di iniezione in terreni incoerenti sono:

  • in avanzamento (dall’alto verso il basso);
  • in estrazione (dal basso verso l’alto);
  • con guaina plastica;
  • con tubi valvolati (tubes à manchettes).

Iniezione in avanzamento

Questo sistema viene usato proficuamente quando si debbano iniettare terreni sciolti con granulometria molto variabile, in cui si possano incontrare grossi massi esotici che richiedono l’uso di utensili duri per la loro perforazione. Si esegue un tratto di foro, si ritira di qualche metro l’utensile di perforazione e si inietta attraverso le aste; si attende quindi l’indurimento della miscela, si riperfora e si prosegue nei tratti successivi con la stessa sequenza.

Se il terreno ha subito una sufficiente compattazione con una prima iniezione, si potrà usare per quelle successive il packer otturatore, altrimenti si proseguirà con il foro rivestito.

Fig. 4.14: Iniezione in avanzamento

Il packer consiste in un tubo di acciaio provvisto di dispositivo di sicurezza contro il riflusso del materiale. Questo tubo viene ancorato nel foro mediante un elemento ad espansione ed il foro viene chiuso a tenuta tramite uno o più tubi in gomma. L’ancoraggio e la chiusura ermetica del foro avvengono avvitando il packer. Alcuni accessori sono diventati parte integrante di questo sistema che soddisfa le più svariate esigenze, combinando opportunamente i vari elementi.

Fig. 4.15: Esempio di packer meccanico di un gas compresso

Fig. 4.16: Packer espandibile con la pressione

Con questo sistema le operazioni di iniezione sono molto lunghe per il fatto di dover attendere, per l’approfondimento del foro, la presa della miscela iniettata.

L’iniezione in avanzamento si adopera per l’esecuzione di prove di permeabilità “Lugeon” su rocce fessurate.

Iniezione in estrazione

Il foro viene in questo caso eseguito fino al termine, ponendo in opera un rivestimento provvisorio che viene poi raccordato all’iniettore e ritirato gradualmente con l’avanzamento dell’iniezione. Quando si usavano per la perforazione impianti a percussione, il rivestimento portava una sorta di tappo o fondello in testa che, che veniva abbandonato al fondo del foro, all’inizio dell’iniezione.

Se il terreno è sufficientemente compatto è possibile usare il packer al posto del tubo di rivestimento e sollevare l’attrezzo al termine della iniezione di una sezione, per iniettare la successiva. Il rischio che si corre operando con i tubi di rivestimento è che la miscela, risalendo all’esterno del rivestimento, lo cementi al terreno oppure si diffonda in modo incontrollabile negli orizzonti non ancora trattati. Non è inoltre possibile riprendere l’iniezione sulle sezioni iniettate una prima volta.

Fig. 4.17: Iniezione in estrazione

Iniezione con guaina in plastica

Questo tipo di iniezione prelude allo sviluppo successivo (tubo a valvole), e per il momento definitivo, dell’iniezione con tubo valvolato. Si esegue inserendo una canna di iniezione entro un foro riempito di miscela plastica, solitamente cemento-bentonite. La guaina, dopo opportuna maturazione, impedirà alla miscela iniettata di risalire lungo le pareti della perforazione e contemporaneamente manterrà in posizione la canna di iniezione. Il vantaggio che si può avere con questo metodo, rispetto al precedente, è che certamente la risorgenza di miscela viene assolutamente inibita ed alcune volte, su determinati terreni, è anche possibile riprendere la cementazione dopo brevi soste.

Fig. 4.18: Iniezione con guaina plastica

Iniezione con tubi valvolati

Il tubo a valvole consiste in una normale tubazione perforata ogni 33 cm od ogni 50 cm con quattro fori disposti sullo stesso piano in posizioni opposte, ricoperti da un manicotto elastico con funzione di valvola di non ritorno. Attualmente si usano tubi in materiale sintetico, ma possono essere anche usate tubazioni in altro materiale, purché abbiano la capacità di resistere alle pressioni di iniezione.

Fig. 4.19: Rappresentazione di un tubo valvolato

Il tubo viene posto in opera al termine della perforazione e sigillato al terreno tramite una “guaina”. Prima di iniziare l’iniezione vera e propria, infatti, la cavità anulare fra tubo valvolato e parete del foro viene infatti riempita con un’apposita sospensione di cemento e bentonite iniettata attraverso la valvola. Dopo un breve periodo di maturazione della guaina (generalmente poche ore), si inizia ad iniettare usando il doppio packer (packer con dispositivo ad iniezione e due elementi di chiusura). La presenza di una guaina ha lo scopo di impedire la risalita della miscela lungo la tubazione, obbligando la stessa ad interessare di volta in volta le singole sezioni definite dalla posizione delle valvole.

La sospensione di cemento-bentonite o cemento-argilla, date le sue scarse caratteristiche meccaniche di resistenza dovute alla sua composizione, sarà facilmente fratturata dalla pressione di iniezione, permettendo così l’espandersi della miscela iniettata alle sue spalle entro il terreno da trattare.

Quest’ultima presenta di solito un rapporto cemento/acqua attorno a 0.5 ed una dose di bentonite adeguata per rendere stabile la sospensione (decantazione nulla o trascurabile) e conferire la necessaria fluidità.

L’ordine di iniezione dei fori viene stabilito in base alle esigenze dei singoli casi, ma in generale è buona norma iniziare con i più esterni in modo da creare un contenimento; tutto il procedimento risulta di notevole efficacia, anche perché con esso è possibile operare riprese multiple di iniezione sulla stessa valvola già iniettata. Ciò è possibile introducendo all’interno del tubo valvolato, dopo ogni ciclo di iniezione, una canna di lavaggio; la pulizia dell’interno del tubo dal residuo dell’iniezione permetterà così di rientrare in seguito nel tubo valvolato con il doppio packer e di riprendere l’iniezione sulle valvole prescelte.

Poiché spesso si ha  a che fare con alternanze di strati con caratteristiche di granulometria, densità e permeabilità diverse, i tubi valvolati consentono inoltre di poter variare le caratteristiche di iniezione per i vari strati: permettono infatti l’iniezione controllata di miscele diverse in ogni ordine, ad ogni livello e a qualsiasi intervallo di tempo.

Iniezioni in rocce fessurate

Fermi restando i criteri generali relativi ai terreni incoerenti, gli interassi dei fori nel trattamento delle iniezioni in roccia sono generalmente maggiori (3-6 m). La spaziatura ottimale dovrebbe essere il compromesso fra due regole contraddittorie: più la roccia è fessurata più si devono distanziare i fori e viceversa; d’altra parte più i fori sono distanti e più miscela bisogna iniettare per realizzare uno schermo continuo. Nei casi più incerti si eseguono quindi prove preliminari ma in generale si fa appello all’esperienza di lavori analoghi.

Le perforazioni sono eseguite a rotazione con piccoli diametri, normalmente compresi fra 35 e 75 mm, mentre le iniezioni sono eseguite su tratte di 3-5 m, dopo aver effettuato prove d’acqua tipo Lugeon per avere una indicazione sul dosaggio iniziale di cemento da utilizzare.

Si può operare, come già detto per i terreni sciolti:

  • in avanzamento;
  • in estrazione.

Il primo metodo è teoricamente migliore in quanto dovrebbe consentire pressioni più elevate, in pratica però si è constatato che procedendo in senso inverso si hanno globalmente degli assorbimenti dello stesso ordine.

Il secondo metodo è molto più vantaggioso economicamente in quanto permette di separare le fasi di perforazione e di iniezione, riducendo al minimo i tempi morti. Vi è però il problema della tenuta dell’otturatore, che deve essere assicurata lungo tutto il foro: se la roccia è troppo fessurata la miscela potrebbe risalire sopra l’otturatore e cementarlo.

La scelta del metodo, ed anche del tipo di otturatore, deve quindi essere fatta ogni volta a seconda della natura della roccia (durezza e grado di fessurazione). Nelle rocce mediamente fessurate il trattamento viene generalmente effettuato mediante sospensioni “instabili” di cemento, iniziando con un minimo dosaggio da valutarsi in base al risultato delle prove d’acqua e passando progressivamente a concentrazioni sempre maggiori.

In alcuni casi l’iniezione in roccia si esegue con il metodo a circolazione continua: si realizza perforando fino alla profondità voluta dopo aver intestato all’inizio del foro un rivestimento di tenuta. Si introduce poi nel foro predisposto una canna di iniezione collegata all’iniettore e la si cala in prossimità del fondo.

Si crea un tampone con un apposito tappo sulla testa del tubo da rivestimento e si collega la bocchetta di ritorno con una valvola tarata che è quella che controllerà la pressione di iniezione; il ritorno della linea andrà a scaricarsi nel mescolatore per chiudere il giro della miscela.

Fig. 4.20: Tecnica di iniezione a circolazione continua

Il problema che può creare questo metodo di iniezione deriva dal fatto che, operando con miscele instabili, si possono verificare le decantazioni che otturano sia le zone iniettate che la parte bassa della perforazione. Al fine di evitare questo inconveniente occorre muovere verso l’alto e verso il basso la canna di iniezione, cercando di mantenere comunque una certa turbolenza all’interno del foro iniettato. E’ possibile inoltre che si verifichino risalite di miscela all’esterno del rivestimento intestato all’inizio del foro; quest’ultimo fatto può compromettere tutto il programma di iniezione.