TBM - Hầm Và Công Trình Ngầm

Tổng quan về phương pháp đào hầm bằng máy khoan hầm

Đào hầm bằng máy (đối ngược với phương pháp truyền thống) là phương pháp mà công tác đào được thực hiện hoàn toàn bằng máy thông qua hệ thống các răng, mũi khoan cơ giới hóa.

Những công nghệ đào hầm bằng máy ngày nay rất đa dạng với nhiều chủng loại máy móc khác nhau. Từ những cỗ máy đào đơn giản cho đến các cỗ máy phức tạp đảm nhiệm không chỉ nhiệm vụ khoan đào trong lòng đất mà cả nhiệm vụ đảm bảo khả năng chống đỡ cho kết cấu trong quá trình thi công.

Các kiểu chống đỡ phổ biến là chống theo phương vuông góc với hướng đào (Shield TBM) hoặc chống đỡ gương đào (TBM áp lực đất hoặc TBM áp lực bùn).

Đối với đa phần các thiết bị, công tác đưa chất thải trong quá trình khoan đào ra khỏi hầm cũng như công tác thi công lớp vỏ hầm bằng bê tông đúc sẵn cũng được thực hiện trong thiết bị đào hầm.

So với phương pháp truyền thống, phương pháp đào hầm hiện đại có những ưu điểm cũng như những hạn chế như sau:

Ưu điểm	Hạn chế
Nâng cao sức khỏe cũng như điều kiện làm việc cho công nhân	Thiết bị cồng kềnh, quá trình thi công thiếu linh hoạt
Công nghiệp hóa quá trình khoan đào	Khó áp dụng trong những điều kiện địa chất bất thường không được dự báo trước
Có thể vượt qua được những vùng địa chất phức tạp	Không có hiệu quả kinh tế đối với các tuyến hầm ngắn
Chất lượng hoàn thiện tốt	Yêu cầu thời gian chuẩn bị dài hơn

Một số dạng máy đào hầm tiêu biểu

Máy đào hầm mở

Máy đào hầm mở là dạng máy đào không sử dụng kết cấu chống đỡ gương đào trong quá trình thi công. Dạng máy này có thể được sử dụng ở những điều kiện địa chất không có nước ngầm hoặc những nơi mà mực nước ngầm thấp.

Gripper TBM

Gripper TBM là dạng máy đào hầm đào toàn bộ gương đào trong vòng 1 bước tiến.

Máy di chuyển bằng cách chống các thanh chống (grip) vuông góc với thành hầm. Máy đào này hoạt động theo 2 pha:

• Đào hầm (grip được giữ cố định)
• Di chuyển và cố định lại grip

Shield TBM

Đây là dạng máy sử dụng các xy lanh thủy lực chống lên phần vỏ hầm được thi công ngay phía sau gương đào để đẩy máy đào hầm tiến lên.

Double Shield TBM

Đây là dòng máy vừa kết hợp giữa 2 dòng máy bên trên. Nó vừa sử dụng các grip vừa sử dụng các xy lanh thủy lực chống lên lớp áo hầm phía sau. Máy cho tốc độ thi công nhanh chóng hơn hẳn trong điều kiện địa chất ổn định.

Máy đào hầm dùng áp lực khí nén

TBM dùng áp lực khí nén là dạng máy TBM mà khí nén được sử dụng để chống đỡ áp lực gương đào gây ra do áp lực nước tĩnh. Thiết bị này phù hợp với vùng địa chất đất không ổn định có sự xuất hiện của nước ngầm.

Chất thải trong quá trình đào được đưa ra khỏi buồng áp lực thông qua một hệ thống băng chuyền trước khi đưa ra ngoài.

Các thành phần chính của máy:

• Phần đầu máy gồm các răng và lưỡi cắt
• Buống áp lực
• Phần buồng không áp lực
• Các xy lanh di chuyển
• Hệ thống vận chuyển chất thải

Tùy vào áp lực nước, người ta có thể kết hợp sử dụng cả bentonite nếu cần thiết.

Máy đào hầm dùng vữa áp lực (Slurry Shield)

Máy đào hầm dùng áp lực vữa là dòng máy có khiên đào kín. Áp lực chống đỡ gương đào được đảm bảo bằng vữa bơm vào khoang đào.

Những máy khoan này phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp hoặc nơi có mực nước ngầm cao.

Phần đầu máy khoan đảm nhiệm công tác khoan đào, trong khi công tác chống đỡ mặt gương đào được thực hiện thông qua việc bơm vữa vào khoang đào. Vữa được sử dụng có thể là bentonite hoặc hỗn hợp đất sét và nước.

Hỗn hợp này được bơm vào khoang đào, nơi chúng thẩm thấu vào trong đất hình thành nên một vách ngăn không thấm nước hoặc một vùng bão hòa đảm bảo lực chống đỡ cho mặt gương đào.

Phế thải của quá trình đào là đất tự nhiên và chính hỗn hợp vữa được sử dụng. Chúng được bơm về phía sau để xử lý tái chế.

Các thành phần chính của máy khoan hầm bao gồm:

• Đầu khoan, nơi đặt các lưỡi và mũi khoan
• Lớp vỏ bảo vệ tất cả các thành phần chính của cỗ máy. Phía đầu là vách ngăn ngăn cách với buồng khoan đào áp lực.
• Jack thủy lực dọc
• Hệ thống phân loại phế thải trong quá trình khoan đào

Đối với một máy khoan hầm kín, nơi mà áp lực chống đỡ được bù trừ bên trong buồng khoan, máy sẽ có thêm một khoang trống chứa không khí được kết nối với một máy nén áp lực cao. Mục đích là điều chỉnh áp lực chống đỡ ở mặt gương đào độc lập với vòng tuần hoàn thủy lực của hệ thống bơm vữa.

Những cỗ máy này chủ yếu được sử dụng cho những nền địa chất có khả năng tự chống đỡ kém. Có thể kể đến như đất cát sỏi có lẫn phù sa. Người ta có thể trang bị thêm một thiết bị để nghiền các tảng đất đá có kích thước lớn không vượt qua được hệ thống vận chuyển chất thải. Các lưỡi răng có thể đảm bảo việc khoan đào khi gặp đá cứng. Đối với môi trường có nhiều đất sét hoặc phù sa, vật liệu sử dụng có thể là polymer.

Máy đào hầm dạng này cũng đặc biệt phù hợp cho môi trường có áp lực nước ngầm cao.

Máy khoan hầm dùng áp lực đất

Máy khoan hầm dùng áp lực đất là loại TBM dùng để đào những loại đất mà áp lực của nó được chống đỡ bằng chính các vật liệu của quá trình đào tạo ra.

Nguyễn tắc hoạt động

Đầu máy khoan đảm nhiệm công tác khoan đào. Công tác chống đỡ gương đào được thực hiện bởi chính đất đá thải ra trong quá trình đào. Chúng được giữ lại trong buồng khoan bằng một hệ thống kích thủy lực tác động lên buồng khoan. Sau đó đất đá thải được đưa ra đồng thời áp lực khoan đào được giảm dần dần.

Các thành phần chính

• Đầu khoan: Gắn các răng và mũi khoan
• Lớp vỏ bảo vệ máy khoan
• Hệ thống băng tải vận chuyển đất đá từ buồng áp lực ra ngoài
• Hệ thống kích thủy lực áp lên vỏ hầm đã được thi công sẵn để giúp TBM di chuyển

Ứng dụng chính

TBM dạng này được sử dụng cho những môi trường không có khả năng tự chống đỡ. Đất sét, cát lẫn sỏi. Nếu cần thiết, phụ gia có thể được sử dụng cho những môi trường đất lẫn cát sỏi.

Trần Hùng

Theo Hiệp hội hầm và công trình ngầm thế giới