Sơ Lược Lịch Sử Của Phương Pháp đào Hầm Bằng Cơ Giới

• Các dự án ĐSĐT TP.Hà Nội/
• Tuyến ĐSĐT số 3/
• Giới thiệu/
• Sơ lược lịch sử của phương pháp đào hầm bằng cơ giới

Sơ lược lịch sử của phương pháp đào hầm bằng cơ giới Ngày đăng 21/04/2017 | 10:04 AM | View count: 1357

Thông qua quan sát Teredo Navalis đào hang với chiếc hàm cứng và cách nó bao phủ lỗ đào bằng chất thải/phân của nó, Marc Isambard Brunel đã phát hiện ra nguồn cảm hứng cho công nghệ, mà sau đó được phép lần đầu tiên xây dựng một đường hầm đi dưới sông Thames ở London

Máy đào đầu tiên “Hang giun không chân”, được chỉ ra ở hình dưới đây, với tên khoa học gọi là Teredo Navalis, sẽ có thể không được xem xét như một kiểu đào hầm cơ giới, nhưng ít nhất, nó cũng đưa ra được một nhận diện về công nghệ này.

Ngay từ đầu những năm 1800, xây dựng hầm trong khu vực đô thị có thể được áp dụng bởi 2 phương pháp khác nhau:

• Đào mở Cut & Cover.
• Đào hầm khoan sử dụng những khung gỗ bên trong các hang đào và được lắp dựng đường hầm bằng cách xây đá.

Các phương pháp đào này đã được áp dụng thành công cho ở cả đất dính lẫn đất rời, và có trong sự hiện diện của sự thấm mước hạn chế thông qua đất xốp hoặc các khe hở, nhưng không bao giờ thực sự dưới mặt nước ngầm. Thông qua quan sát Teredo Navalis đào hang với chiếc hàm cứng và cách nó bao phủ lỗ đào bằng chất thải/phân của nó, Marc Isambard Brunel đã phát hiện ra nguồn cảm hứng cho công nghệ, mà sau đó được phép lần đầu tiên xây dựng một đường hầm đi dưới sông Thames ở London Ý tưởng đầu tiên về đào hầm dưới mực nước ngầm đã được đề nghị năm 1806 cũng bởi Brunel, nhằm xử lý một đường hầm dưới song Neva ở Thành phố St. Petersburg trong mùa đông, do có sự hiện diện của các khối băng từ hồ Lagoda, một chiếc cầu được xây dựng với các cọc càng thực sự nguy hiểm qua mỗi năm. Brunel cuối cùng đã trình một bản kế hoạch cho một cầu treo; chỉ đến năm 1818 ông mới lần đầu tiên đăng ký mẫu sở hữu cho phát minh của mình, đó chính là máy đào được lắp khiên. Cơ hội để áp dụng công nghệ của ông đã phát triển nở rộ năm 1825, khi hầm qua dưới sông Thames bắt đầu được thi công. Thành quả đầu tiên đạt được là hoàn thành giữa năm 1825 và 1828 sử dụng một khiên nhưng sau đó không phù hợp và được loại bỏ để thay thế bằng khiên chữ nhật. Hình 2: Hầm qua sông Thames sử dụng lý thuyết khiên đào của Brunel (theo Mathewson et al., 2006) Stack (1982) đã mô tả khiên đào hình chữ nhật được dùng cho thành tựu thứ hai (1835 – 1843): nó được làm từ sắt đúc bởi 12 phần, mỗi phần rộng 1m, được chia thành 3 khoang (trên, giữa và dưới). Mỗi phần có khả năng di chuyển độc lập (xem hình trên). Toàn bộ khiên đào rộng 11.43 m, cao 6.78 m và dài 2.74 m. Các đầu múc dạng tấm trượt gắn trên đỉnh và chân của mỗi phần trượt về phía trước để cắt và chống đỡ đất trước mặt khiên. Khiên được tiến lên ở chỗ do có các kích xoắn để chống các khối đá được xây xong cho vách hầm. Mỗi phần chống đỡ cho 1 bộ phận của mặt hầm bởi từ 14 đến 15 khoang chống theo phương ngang, được giữ ở vị trí thuận tiện cho đôi kích xoắn. 12 phần này được tiến lên bằng cách thay thế từng cái một, mỗi bước tiến không quá 15 cm. Hiệu suất tốt nhất đạt được là 4.3 m/tuần. Sau sự áp dụng thành công của máy Brunel, nhiều nhà đầu tư đã gợi ý những giải pháp để cải thiện sản xuất, tính an toàn và năng lực đối chọi với sự xâm nhập mạnh của nước. Trong những gợi ý đó, thực sự mang giá trị được đề cập đến là:

• S. Dunn (1849) cho một kiểu dáng cải tiến lần đầu tiên cho khiên tiến lên là một tấm được lấy ra;
• P.W. Barlow (1864) đã có một phát kiến quan trọng là {…} khoảng trống mà nó để lại giữa đất và sự kéo dài của hầm có thể được lấp đầy bởi công tác dẫn hoặc phun xi măng lỏng vào {…}

Cuối cùng, A.E. Beach (1826 – 1896) và J.H. Greathead (1844 – 1896) đã thực sự xây dựng và đề xuất sử dụng các khiên đào kết hợp trong cùng một năm (1869), nhưng Beach dùng cho tuyến hầm đường sắt bánh hơi Brodway ở New York, trong khi Greathead lại sử dụng cho hầm New Thames ở Anh. Hình 3: Hệ thống khiên đào Brunel lần đầu tiên đào hầm qua sông Thames ở London (1825 – 1843) Hình 4: Một hình ảnh của khiên đào Greathead chụp những năm 1900 dùng để đào hầm từ 1800 minh họa ở dạng tròn và các vòng thép để giữ các vách tường đào Những sự phát triển cải tiến tiếp sau của các máy khiên đào được tập trung vào 2 khía cạnh quan trọng: chống đỡ bề mặt và công nghiệp hóa quy trình đào. Từ đó, các phương pháp đào cơ giới ngày nay có thể xây hầm nhanh hơn, an toàn hơn cho công nhân và giảm thiểu các tác động về môi trường. Giữ ổn định bề mặt gương đào bằng khí nén Mặc dù có sự thành công từ sự áp dụng khiên đào Brunel, vấn đề kiểm soát nước thâm nhập vẫn chưa được giải quyết thỏa đáng nếu không có việc đưa ra sử dụng khí nén. Kỹ thuật chống đỡ bề mặt này lần đầu tiên được ứng dụng thành công ở hầm Antwerp Dock (1879) và ở hầm qua sông Hudson, New York (1880). Đặc biệt, những sai lầm gặp phải nhằm dẫn dòng cho sông Hudson bằng các tường đá xây và khí nén năm 1880 đã dẫn tới những phát kiến của Sir Baker và J.H. Greathead trong việc kết hợp sử dụng khí nén và công nghệ khiên đào để chống đỡ cho cả bề mặt và đỉnh hầm. Sự cải tiến quan trọng này đã tạo ra khả năng định tuyến thành công cho 1130 m hầm giữa năm 1891 (khi các công tác bị gián đoạn vì các lý do về tài chính) và nhiều các hầm khác ở những năm sau đó. Nhưng những sự cải tiến vẫn còn cần được tiếp tục: một số vấn đề quan trọng đã được tập trung vào các công tác dùng khí nén, bởi vì toàn bộ hầm phải được duy trì dưới cùng áp suất. Những vấn đề đó chủ yếu liên quan đến:

• Các vấn đề về sức khỏe của công nhân, do họ phải di chuyển thường xuyên và quay trở lại nhanh chóng và do chênh lệch áp lực giữa mặt cắt hầm đằng trước và mặt cắt hầm gần đó ở dưới áp lực khí quyển;
• Việc áp dụng không hiệu quả của phương pháp này nhằm mở rộng đường kính hầm, do áp lực khí nén đồng đều không có khả năng cạnh tranh được với áp lực chống đỡ bề mặt không đồng đều (mà nó càng tăng theo chiều đứng xuống dưới);

Hình 5: Sơ đồ công nghệ bơm khí nén được sử dụng năm 1880 cho xây dựng hầm dưới sông Hudson, New York (theo Burr, 1885) Chỉ đến cuối những năm 1950, một dung dịch quyết định đã được tìm ra sử dụng tỷ trọng trung bình và cao nhằm hỗ trợ chống đỡ bề mặt và nó được coi như là sự ra đời của các máy cân bằng áp lực EPB và vữa bùn Slurry hiện đại ngày nay. Những dự án đầu tiên áp dụng cơ giới hóa thi công đường hầm Mất rất nhiều năm, việc đào và di chuyển bùn đất đã được thực hiện bằng thủ công sử dụng xẻng và sọt chứa, dẫn tới công tác xây dựng hầm không an toàn và rất chậm chạp. Sau nhiều năm nỗ lực tập trung của nhiều kỹ sư, năm 1876 một giải pháp cơ giới hóa đã được phát minh đẩy nhanh công tác xây dựng hầm sử dụng khiên đào như một quy trình được công nghiệp hóa. Hình 7: Khiên đào dùng khí nén của Greathead đang hoạt động trong lớp bùn dưới sông Hudson. Khiên có hình tròn, chống vách hầm bằng thép (theo Scientific American, 1980) Hình thái khiên đào cơ giới đầu tiên thực sự được đưa ra bởi J. Dickinson và G.Brunton năm 1876 mà sau đó được cải tiến hơn nhờ F.O. Brown năm 1886, J.H. Greathead năm 1887 – 1889 và J.J. Robins năm 1893. Cuối cùng, máy đào cơ giới đầu tiên đã được thực hiện và được sử dụng bởi J. Price năm 1896 – 1897 để đào hầm tuyến đường sắt Trung tâm London. Theo Stack (1892), máy Price có một đầu cắt có 4 tay quay cùng các lưỡi cắt hoặc các lưỡi cạp được đúc sẵn để đào và thu gom vật liệu thừa. Những lưỡi cạp để phục vụ việc nâng bùn đất lên cho phép nó trượt xuống bởi trọng lực… Cải tiến thành công này đã làm cho máy hiệu quả hơn và đáng tin cậy hơn, đạt đến một tốc độ 55 m/tuần (tuyến đường sắt Charing Cross và Hampstead). Cuộc cách mạng hiện đại hóa Bắt đầu từ nguyên mẫu khiên đào của Greathead, cuộc cách mạng của các loại máy đào hầm đã diễn ra rất nhanh chóng để ra đời các loại máy đào hầm với công nghệ tinh vi như ngày nay theo hai xu hướng phát triển chính là: Máy đào hầm dùng cho các đường hầm đào qua khối đá Máy đào hầm dùng cho các đường hầm đào qua đá yếu và đất mềm. Ban đầu máy đào hầm trong đá chỉ là loại open type giống phương pháp đào hầm thông thường. Sau đó để phù hợp với các loại gương đào không đồng nhất, bộ phận khiên đã được lắp đặt thêm vào một số máy đào hầm trong đá., loại khiên đơn ( yêu cầu phải có tấm vỏ để cung cấp lực đẩy đầu cắt tiến lên phía trước), sau đó khiên ban đầu được bổ sung thêm một khiên nữa gọi là khiên đôi (cho phép đầu cắt tiến lên phía trước mà không cần lắp dựng vỏ chống phụ thuộc vào điều kiên khối đá). Tất cả các loại máy đào hầm được sử dụng ngày nay đều được lựa chọn dựa trên điều kiện đị chất của tuyến hầm mà nó sẽ đào qua. Loại máy đào hầm dùng trong đất mềm trong lịch sử ddaxc được gọi là máy khiên đào, sự phát triển nhanh chóng của các loại máy khiên đào là ở khả năng cung cấp áp lực chủ động để giữ ổn định mặt gương đào để kiểm soát tốt hơn và giảm thiểu các nguy cơ sụt lún bề mặt và sập lở gương đào. Với một vài loại máy hiện đại và đặc biệt rất khó để phân loại sự khác biệt , những loại máy đặc biệt này thường được thiết kế riêng để thi công các đường hầm qua những môi trường rất nhạy cảm hoặc có điều kiện địa chất không đồng nhất. Trong thực tế bảng phân loại máy TBM này được trang bị cho cả máy đào hầm kiểm soát sụt lún bề mặt và sập lở trong môi trường đất mềm cũng như những biện pháp cần thiết để thi công đường hầm trong đá. Ví dụ đầu tiên cho loại máy đặc biệt này là hydroshield đã được sử dụng để đào đường hầm EOLE tại Pari đào qua cát, marl đến đá vôi. Một ví dụ quan trọng khác là máy đào hầm cân bằng áp lực đất EPB được dùng để thi công tàu điện ngầm tại Porto- Bồ Đào Nha, nó đào qua các dạng địa chất rất phức tạp từ đất sét cho đến đá granit nứt nẻ. Với các yêu cầu đặc biệt để đáp ứng thi công trong các vùng đô thị rất nhạy cảm, những máy đào hầm dạng đặc biệt này còn được biết đến với tên “city machine” Lê Hoài Nam- Nguyễn Xuân Thành –KT-MRB Biên dịch từ Mechanized Tunnelling in Urban Areas - Grasso 2008

Ad Min

Các tin khác

• Thông báo về việc tuyển dụng lao động hợp đồng Đợt 2 năm 2025
• Hội thảo “Tổng kết Chương trình hỗ trợ nâng cao năng lực trong quy hoạch đường sắt đô thị, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và chiến lược tài chính”
• Thông báo công bố kết quả trúng tuyển LĐHĐ chuyên môn đợt 1 năm 2025
• Hội thảo “Chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm triển khai TOD trong thực tiễn cho Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh”
• Thông báo về việc tuyển dụng lao động hợp đồng Đợt 1 năm 2025
• Phê duyệt điều chỉnh chủ trương đầu tư Dự án xây dựng tuyến đường sắt đô thị thành phố Hà Nội tuyến 2, đoạn Nam Thăng Long - Trần Hưng Đạo