Come si costruisce un tunnel sottomarino?

Tuttavia, per la maggior parte della nostra storia di scavi di tunnel, siamo riusciti a cavarcela con l'ingegno. Gli esseri umani hanno scavato tunnel da quando i primi abitanti delle caverne decisero di scavare una camera da letto libera, e gli elementi essenziali di scavo, supporto e avanzamento erano ben raffinati quando gli antichi greci usarono i tunnel per irrigare e drenare i loro terreni agricoli [fonti: Lane ; Browne ].

Anche i tunnel sottomarini sono sorprendentemente vecchi. Tra il 2180 e il 2160 aEV, i babilonesi costruirono uno dei primi esempi conosciuti deviando il fiume Eufrate. Il tunnel di 3.000 piedi (900 metri) rivestito in mattoni e sostenuto da un arco, che misurava 12 piedi di altezza per 15 piedi di larghezza (4 metri per 5 metri), forniva un passaggio pedonale e di carro tra il palazzo reale e il tempio [fonti : Corsia ; Browne ].

Per secoli le gallerie furono impiegate principalmente da minatori e genieri medievali, che scavarono sotto le mura del castello fino a farle crollare (da cui il termine "minare"), ma l'avvento del trasporto sui canali - e, in seguito, delle ferrovie - diede ai lavoratori qualcosa di nuovo per affondare le loro pale. I secoli XVIII, XIX e XX videro un susseguirsi di progetti di gallerie sempre più impegnativi, resi possibili da grandi miglioramenti nelle tecniche di rilevamento e ventilazione. Anche così, il pericolo e la spesa ritardarono i tentativi di scavo sottomarino fino alla metà del 1800 [fonte: Lane ].

Il che solleva la domanda: se le gallerie sottomarine rischiano di scavare la tua stessa tomba, letteralmente o finanziariamente, perché preoccuparsi? Molti urbanisti sono d'accordo, rivolgendosi ai tunnel solo quando i ponti congestionati raggiungono la capacità di soffocamento. Tuttavia, anche i ponti sono problematici. Interferiscono con il traffico marittimo, occupano preziose proprietà lungo il fiume e bloccano le viste panoramiche. Dal punto di vista della difesa, i ponti sono facili bersagli per attacchi aerei e possono costituire un pericolo se crollano [fonte: Hewett ].

I tunnel, al contrario, resistono a maree, correnti e tempeste meglio dei ponti, possono raggiungere distanze maggiori e hanno una capacità di carico praticamente illimitata. Inoltre, il costo per lunghezza di un tunnel diminuisce man mano che si allunga, mentre per i ponti è vero il contrario. Mentre i tunnel richiedono un investimento iniziale maggiore, i ponti fanno la differenza nei costi di manutenzione [fonti: Everglades Economics ; Hewett ].

Ma non otteniamo la visione a tunnel. Non c'è dubbio che i passaggi sotto terra e mare devono affrontare particolari vulnerabilità e problemi di sicurezza. Incendi e incidenti rappresentano una grave minaccia nei tunnel, motivo per cui i tunnel ferroviari includono passaggi incrociati dove i treni possono cambiare binario, insieme a tunnel di servizio che possono fungere da vie di fuga di emergenza [fonti: Chan ; JR-Hokkaido ; WGBH ].

Suonano terrificanti, ma i tunnel sottomarini sono così comuni che raramente pensiamo ai grandi pericoli - e alle tecniche di costruzione estreme - che queste meraviglie moderne richiedono.

1. Bridge (sotto) acque agitate
2. Vermi navali di dimensioni insolite
3. Lasciarlo affondare

Quando scavi in ​​qualsiasi progetto di costruzione straordinario , alcune domande fanno capolino immediatamente dalla sabbia: quale proposta è considerata la più grande, la più profonda o la più pericolosa da costruire? Con i tunnel sottomarini, queste domande sfidano le risposte semplici. Città e paesi commissionano costantemente nuovi progetti. Per quanto riguarda le statistiche vitali, il diavolo è tra i dettagli e il mare blu profondo.

Ad esempio, il tunnel Seikan che collega le isole giapponesi di Honshu e Hokkaido detiene attualmente il record per il tunnel ferroviario sottomarino più lungo e profondo. Il Giappone iniziò a progettarlo dopo che un tifone del 1954 affondò cinque traghetti nel pericoloso stretto di Tsugaru, uccidendo 1.430 persone [fonti: WGBH ].

Completato nel 1988, il Seikan Tunnel si estende per 33,5 miglia (54 chilometri) e raggiunge una profondità di 787 piedi (240 metri), ma la sua porzione sottomarina di 14,5 miglia (23,3 chilometri) è sminuita da quella del Tunnel della Manica, o Chunnel, tra Regno Unito e Francia. Terminata nel 1994, la porzione sottomarina del Chunnel rappresenta 24 delle sue 31 miglia totali (38,6 di 50 chilometri) ma si tuffa a soli 246 piedi (75 metri) di profondità [fonti: ASCE ; Chan ; saggio ].

Per quanto riguarda i turchi, entrambi i tunnel sono tutti bagnati rispetto al loro tunnel Marmaray da 3,3 miliardi di dollari finalmente aperto al pubblico nel 2013. I suoi 8,25 miglia (13,2 chilometri) di passaggio ferroviario, incluso un 4.600 piedi (1.400 metri) ) si estendono attraverso il fondo del Bosforo -- collegano la metà asiatica ed europea di Istanbul, rendendolo il primo tunnel ferroviario a collegare due continenti [fonti: Sweeney ; saggio ].

Cosa c'è di così bello in un tunnel sottomarino sotto un miglio rispetto ai tunnel Seikan e sotto la Manica di più miglia? È una differenza di approccio: mentre i suoi predecessori hanno scavato e scavato rispettivamente passaggi attraverso la roccia solida, il tunnel di Marmaray è stato assemblato, pezzo per pezzo, in una trincea lungo il fondo del Bosforo, il che lo rende il tunnel di immersione più lungo e profondo mai costruito. Gli ingegneri hanno scelto questa soluzione, che impiega sezioni preassemblate collegate da piastre di acciaio spesse, flessibili e rinforzate con gomma , per contrastare meglio l'attività sismica regionale [fonti: JR-Hokkaido ; Dolcezza ; saggio ].

Per un certo periodo, i reperti storici e culturali trovati nella città vecchia di Istanbul hanno rallentato i progressi nello scavo del tunnel di Marmaray, quindi il tunnel Øresund di 2,2 miglia (3,6 chilometri) che collega Svezia e Danimarca è rimasto il più grande tunnel a tubi immersi mai costruito. Gli appaltatori lo hanno costruito da 20 elementi che misurano 577 piedi (176 metri) ciascuno, ciascuno assemblato da otto sezioni più piccole, 72 piedi (22 metri) [fonti: Landler ; Progetto Marmaray ; PERI GmbH ; Sweeney ].

Tra tunnel immersi come Marmaray e Øresund, e tunnel trivellati come il Chunnel, abbiamo quasi coperto il lungomare. Ma esaminiamo un po' più a fondo ciascuno ed esaminiamo un altro metodo di tunneling utilizzato dall'inizio del XIX secolo.

Lo chiami tunnel?

Un tunnel è tecnicamente un passaggio interamente scavato nel sottosuolo. Molti dei tubi sotterranei che consideriamo tunnel - metropolitane, fognature e linee d'acqua - sono tecnicamente condotti perché comportano la rimozione temporanea dei materiali sovrastanti. I tunnel sono pericolosi, noiosi e costosi da costruire, quindi quando si tratta di terra sciolta e progetti relativamente poco profondi, gli ingegneri spesso scelgono questo approccio di taglio e copertura più economico ed efficace [fonti: Lane ; Hewitt ].

L'approccio più antico per scavare sott'acqua senza deviare le acque sopra è noto come scudo per tunnel e gli ingegneri lo usano ancora oggi.

Gli scudi risolvono un problema comune ma fastidioso, vale a dire come scavare un lungo tunnel attraverso una terra morbida, specialmente sott'acqua, senza che il suo bordo d'attacco collassi [fonti: Assignment Discovery; Enciclopedia Britannica ; Browne ; Hewitt ].

Per avere un'idea di come funziona uno scudo, immagina una lattina da caffè senza coperchio con un fondo affilato che sfoggia diversi grandi fori. Ora, afferrando l'estremità aperta, spingi la latta, prima dal basso, in un po' di terra morbida e osserva come lo sporco si schiaccia attraverso le aperture. Sulla scala di un vero scudo, diversi umani (soprannominati "muckers" e "sandhogs") sarebbero rimasti all'interno degli scomparti all'interno del "barattolo" e avrebbero rimosso l'argilla o la sabbia mentre lo scudo avanzava. I martinetti idraulici avrebbero spostato gradualmente lo scudo in avanti, mentre gli equipaggi dietro di esso hanno installato anelli di supporto in metallo, quindi li hanno rivestiti con cemento o muratura [fonti: Assignment Discovery]; Enciclopedia Britannica ; Browne ].

Per trattenere le infiltrazioni d'acqua dalle pareti del tunnel, la parte anteriore del tunnel o dello scudo è talvolta pressurizzata con aria compressa. I lavoratori, che possono sopportare solo brevi periodi in tali condizioni, devono passare attraverso una o più camere stagne e prendere precauzioni contro i disturbi da pressione [fonti: Hewitt ; Autorità Portuale ].

Gli scudi sono ancora utilizzati, soprattutto durante l'installazione di condotte di servizio o tubi dell'acqua e delle fognature. Sebbene ad alta intensità di manodopera, costano solo una frazione di quanto i loro cugini mastodontici, le macchine perforatrici di tunnel (TBM) [fonti: Assignment Discovery; Enciclopedia Britannica ; WGBH ].

Una TBM è un motore di distruzione a più piani in grado di masticare roccia solida. Sulla sua parte anteriore gira una testa di taglio , una ruota gigante che è irta di dischi rompisassi e incorpora un sistema di palette per sollevare la roccia colpita e lasciarla cadere su un nastro trasportatore in uscita. Dietro la testa di taglio oscilla un erettore , un gruppo rotante che costruisce il rivestimento del tunnel sulla scia della TBM. In alcuni grandi progetti, come il Chunnel, TBM separate inizieranno su estremità opposte e perforeranno verso un punto centrale, utilizzando sofisticati metodi di rilevamento per mantenerle sulla rotta [fonti: Assignment Discovery; Coleman et al. ; WGBH ].

La perforazione attraverso la roccia solida crea un tunnel in gran parte autoportante e le TBM avanzano rapidamente e senza sosta (alcune macchine Chunnel potrebbero raggiungere 250 piedi, o 76 metri, al giorno). Sul lato negativo, le TBM si rompono più spesso di una Jaguar usata e si comportano male con roccia usurata, tranciata o altamente articolata, quindi non sono così veloci come dovrebbero essere [fonti: WGBH ; WGBH ].

Fortunatamente, TBM e scudi non sono l'unico gioco in città.

La svolta di Brunel

Lo scudo per tunnel è stato inventato dall'ingegnere Marc Isambard Brunel, che è stato ispirato dall'osservazione di un verme (un bivalve marino) guidare le sue piastre di conchiglia attraverso il legno ed espellere segatura sulla sua scia. Usando il suo dispositivo, ha scavato con successo un tunnel sotto il fiume Tamigi a Londra dal 1825 al 1843, sopportando due inondazioni rivoluzionarie e una chiusura di sette anni quando il flusso di cassa del progetto si è esaurito. Brunel e suo figlio trascorrevano quasi ogni ora di veglia nel tunnel, spesso costretti a lavorare da una barca. Secondo quanto riferito, il ceppo ha portato alla sua morte pochi anni dopo [fonti: Assignment Discovery; Enciclopedia Britannica ; Browne ; Hewitt ].

Costruire un supporto in acciaio e muratura scavando contemporaneamente attraverso terra morbida o roccia solida non è un picnic, ma cercare di trattenere un mare sott'acqua è qualcosa che nemmeno Moses avrebbe tentato. Fortunatamente, grazie all'ingegnere americano WJ Wilgus e alla sua invenzione, il tunnel a tubo sommerso ( ITT ), non è necessario [fonte: Lane ].

Gli ITT non sono annoiati attraverso la roccia o il suolo; sono assemblati in loco da pezzi prefabbricati delle dimensioni di un campo da calcio . Wilgus ha aperto la strada alla tecnica quando ha costruito il tunnel ferroviario del fiume Detroit (1906-10) che collega Detroit, Michigan, a Windsor, Ontario, e da allora sono stati la tecnica di riferimento per i tunnel dei veicoli. Infatti, solo nel 20° secolo sono state costruite più di 100 gallerie di questo tipo [fonti: Lane ; Ingegneria estrema; Progetto Marmaray ].

Per realizzare ogni segmento del tunnel, i lavoratori assemblano 30.000 tonnellate di acciaio e cemento, sufficienti per un condominio di 10 piani, in uno stampo enorme, quindi lasciano indurire il calcestruzzo per quasi un mese. Gli stampi contengono il pavimento, le pareti e il soffitto del tunnel e sono inizialmente chiusi alle estremità per mantenerli a tenuta stagna mentre vengono trasportati in mare aperto. I pontoni da immersione , grandi navi che assomigliano a un incrocio tra una gru a cavalletto e un pontone, effettuano il traino [fonti: Lane ; Ingegneria estrema; Progetto Marmaray ].

Una volta superata la trincea pre-scavata, ogni sezione del tunnel viene allagata a sufficienza da consentirne l'affondamento. Una gru abbassa lentamente la sezione in posizione mentre i subacquei la guidano con precisione alle sue coordinate GPS. Quando ogni nuova sezione si collega al suo predecessore, un enorme pezzo di gomma alla sua estremità si stringe e si distende per stabilire una tenuta. Gli equipaggi quindi rimuovono le guarnizioni delle paratie e pompano l'acqua rimanente. Una volta costruito l'intero tunnel, viene interrato sotto riempimento ed eventualmente ricoperto da armature di roccia [fonti: Lane ; Ingegneria estrema; Progetto Marmaray ].

La costruzione a tubo immerso può scavare più in profondità rispetto ad altri approcci perché la tecnica non richiede aria compressa per tenere a bada l'acqua. Gli equipaggi possono quindi lavorare più a lungo al loro interno e in condizioni più tollerabili. Inoltre, un ITT può assumere qualsiasi forma, a differenza di un tunnel trivellato, che segue la forma del suo scudo o TBM. Tuttavia, poiché gli ITT costituiscono solo la parte del fondo marino o del letto del fiume di un sistema di tunnel, richiedono altri metodi di tunneling per perforare i loro ingressi e uscite a terra [fonti: Lane ; Progetto Marmaray ; WGBH ]. Nel tunnel sottomarino, come nella vita, ce ne vogliono di tutti i tipi.

Un tunnel transatlantico: Yippee o Yikes?

Se dovessimo tentare il tanto sognato tunnel transatlantico, un tubo galleggiante di immersione, legato a una profondità ideale di 150 piedi (45,7 metri) da cavi regolabili in tensione, sarebbe l'approccio più probabile. Naturalmente, un'impresa del genere richiederebbe circa 54.000 sezioni delle dimensioni di un campo da calcio, utilizzando l'equivalente della produzione mondiale di acciaio di un anno e 225 fabbriche di calcestruzzo funzionanti a capacità 24 ore al giorno per 20 anni. Questo prima di arrivare ai trilioni di dollari, migliaia di lavoratori e numerosi robot e sottomarini necessari per costruire in condizioni pericolose di mare aperto, per non parlare dei problemi di sicurezza posti dal traffico marittimo e dagli eventi sismici [fonti: Extreme Engineering; Ingegneria estrema; Harrison].

Nota dell'autore: come si costruisce un tunnel sottomarino?

Nello scrivere questo articolo, ho potuto solo toccare le basi della costruzione di tunnel sottomarini, che è un'ingiustizia paragonabile all'equiparazione di disinnescare una bomba con la programmazione di un DVR. In realtà, i pericoli connessi e la precisione richiesta nella costruzione di un tunnel sottomarino sono semplicemente sbalorditivi. Scavare e costruire queste meraviglie moderne richiede a dir poco una vigilanza costante, un'acuta adattabilità e minuziosi adattamenti alle condizioni mutevoli, per non parlare della cura che i lavoratori e i subacquei devono esercitare.

Vale la pena pensare la prossima volta che ti ritroverai a viaggiare attraverso un tunnel sottomarino. Forse ti distrarrà dai milioni di tonnellate di terra o acqua che premono o, se ti trovi nel tunnel Seikan in Giappone, dal suono dell'acqua che tintinna attraverso le pareti per essere drenata dalle pompe a 20 tonnellate al minuto.

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