Chương 5
CÔNG NGHỆ - MÁY VÀ THIẾT BỊ THI CÔNG
TUYÊN NGẦM ĐÀO KÍN VÓI KHIÊN VÀ T ổ HỢP KHIÊN
5.1. C Ô N G N G H Ệ Đ À O K ÍN
Công nghệ thi công đào kín chia làm ba nhóm chính: Thi công bằng phưoìig pháp
mỏ; thi công bằng phương pháp khiên, tổ hợp khiên và thi công bằng phương pháp áo
mới - New Austrian Metod (NAM).
Công nghệ thi công thường gặp các tuyến ngầm vùng núi được gọi là phương pháp
mỏ, bởi vì phương pháp này được ứng dụng sớm nhất vào việc đào hầm lò khai thác mỏ.
Trong phương pháp mỏ, phần lớn các trường hợp đều dùng khoan lỗ mìn nổ phá đất đá
nên cũng gọi là phương pháp khoan nổ. Từ xu thế phát triển công trình đường hầm mà
xét, phương pháp khoan nổ vẫn là phương pháp thường dùng đế đào hầm trên núi từ
trước đến nay cũng như từ nay về sau.
Trong phương pháp mỏ, phương pháp che chống sau khai đào hầm hào, đại thể phân
làm hai loại: che chống bằng kết cấu thép gỗ, che chống bằng neo phun bê tông.
Về công nghệ Ihi công, người ta quen gọi công nghệ thi công dùng khoan nổ để đào kết
hợp với che chống bằng cấu kiện thép gỗ là “phương pháp mỏ truyền thống” và nếu dùng
công nghệ thi công khoan nổ để đào kết hợp với che chống bằng neo phun thì gọi là
“Phương pháp áo mới”.
5.1.1. C ác công nghệ đào kín mỏ truyền thống
Phương pháp mỏ truyền thống là phương pháp phát triển lên trong thực tiễn thi công
lâu dài của con người. Phưofng pháp này dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm
thời, đợi đến khi đường hầm đã hình thành xong thì thay dần hệ che chắn tạm thời bằng
vỏ xây dày toàn khối có tính vĩnh cửu.
Che chống bằng kết cấu gỗ không bền, thay đổi phức tạp lại không an toàn, hiện nay
ít dùng. Che chống bằng kết cấu thép có ưu điểm bền lâu và chính xác với hình dạng
hầm lò, ít phải thay đổi, rất an toàn. Giới xây dựng Nhật Bản có thói quen gọi phương
pháp mỏ dùng cấu kiện thép làm hệ che chống là “Phương pháp bản lưng”.
Đào tuyến ngầm với phương pháp mỏ truyền thống có 3 sơ đồ công nghệ.
11
1. M ỏ truyền thông kết hợp với ináy đào liên họp com bai
Đất được đào bởi máy đào liên hợp, dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm thời
sau đó xây vỏ tunnel vĩnh cửu.
•Í-L r".
■
Hình 5.1. Sơ đồ bô'trí thiết bi công nghệ IIĨỎ kết hợp với máy dào liên hợp cotnhai:
1 - đầu phá đất combai; 2 - bộ phận cào vơ combai;
3 - cấu kiện gỗ hay thép làm che chán tạm thời; 4 - xích tải gạt combai; 5 -máy vận tải hầm lò.
2. M ỏ truyền thống kết hợp khoan - n ổ min
Đất được đưa ra khỏi gương đào nhờ khoan - nổ mìn, dùng cấu kiện gỗ hav Ihép làm
che chắn tạm thời sau đó xây vỏ lunnel vĩnh cửu. Sơ đố bố Irí Ihiêì bị Ihc hiện trên hình
5.2. Phương án này chỉ dùng cho đào tuyến ngầm trên núi, đất có độ cứng trung bình có
ít nước.
Hinh 5.2. Sơ dồ bô trí thiểt bị công nghệ mỏ kếí hợp khoan - IIÔ mìn:
1 - gương đào; 2 - cỗ máy khoan; 3 - máy cào vơ; 4 - máy vận tải hầm lò;
5 - cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm thời.
3. M ỏ truyền thống kết hợp đào thủ công
Đất
được đào bởi sức người bằng dụng cụ thủ công, máy khoan cầm tay hoặc búa
chèn hơi v.v ..., dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm thời, sau đó xây
vỏtunnel
vĩnh cửu. Phương án này được sử dụng khi đầo tunnel qua vùng có điều kiện địa chất ổn
định, khó sạt lở, độ cứng từ nhỏ tới trung bình và ít nước ngầm.
112
Hình 5.3a. Sơ dồ công nglỉệ mỏ dào tlìủ công:
1 - đào đut bởi sức người bằng dụng cụ thủ
công, máy khoan cầm tay hoặc búa chèn hơi
v.v.. 2 - cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn
tam thời
Hình 5.3b. Khiên thủ công dào tiiiinel
qua đáy sôngThames UK năm 1825 do
kỹ sư lìgườì Pháp Isambard Kiiìgdom
Bniiiel (1806 - 1859} thiết kê'
5.1.2. Các công nghệ đào kín kết hợp khièn và tổ hợp khién
K hiên thủ công kết hợp khoan - n ổ m ìn:
Phương án này được sử dụng khi đào tunnel qua vùng có điều kiện địa chất ổn định, ít
nước ngầm. Bản chcú của công nghệ này là khoan tạo lỗ, nổ mìn, bốc xúc đất đá vận
chuycn và cuối cùng là thi công vỏ tunnel liền khối dưới sự che chống của khiên. Điểm
khác biệt so với công nghệ nổ mìn trong nền đất đá cứng là có cơ cấu khiên thủ công
che chống mà không cần khoan neo gia cố vách và nóc lò tạm thời.
K hién thủ công kết hợp máy đào liên hợp com bain:
Phương án này được sử dụng khi đào tunnel qua vùng có điều kiện địa chất ổn định, ít
nước ngầm. Đất được đào bởi máy đào liên hợp, dùng khiên thủ công để giữ vách và nóc
lò và trong lòng khiên này sẽ xây vỏ tunnel vĩnh cửu. Sơ đồ bố trí thiết bị giống như trên
liình 1.4, điểm khác biệt chính là cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm thời số 3 là kết
cấu khiên thủ công tự di chuyển về phía trước nhờ kích.
K hiên thủ cô n g kết hợp đào thủ công loại thường (non pressure blance):
Phương án này được sử dụng khi đào tunnel qua vùng có điều kiện địa chất ổn định,
ít nước ngầm và chiều dài tunnel nhỏ hơn 750m . Dưới sự che chống của khiên thủ
còng, đất được đào bởi sức người bằng dụng cụ thủ công, máy khoan cầm tay hoặc búa
chèn hơi V V . . . V Ỏ tunnel được lắp từ những mảnh vỏ ch ế tạo sẵn ngay trong khiên, và
khiên di chuyển lên phía trước nhờ các kích thuỷ lực đẩy vào chính phần vỏ tunnel vừa
thi công xong.
113
K hiên thủ cô n g ứ n g d ụ n g kh í n é n :
Phương án này được áp dụng khi đất yếu, ngậm nước và chiều dài tunnel nhỏ hơn
750m. Theo phưofng án này thì dưới sự che chống của khiên thủ công đất đá được đào
bởi sức người kết hợp cuốc xẻng, máy khoan cầm tay hoặc búa chèn hơi w . . .trong điều
kiện áp suất cao để giữ gương đào không bị sạt lở. Trong công nghệ này người thợ phải
làm việc trong điều kiện không khí áp suất cao dễ sinh bệnh “giếng chìm”. Trên hình 5.4
ta có thể thấy vách ngăn 6 ngăn khoang thi công 2 có áp lực cao với khoang 8 áp lực
bình thường. K hí nén được cấp bởi máy nén khí 12 qua đường ống dẫn khí nén 9. Toàn
bộ công tác đào đất, lắp ráp được tổ chức trong khoang 2 với điều kiện áp suất cao, khi
một đoạn tunnel đủ dài người ta di chuyển vách 6 vào vị trí mới để tiếp tục một chu kỳ
tiếp theo.
T ổ hợp khiên thường (non p ressu re balance);
Dùng để đào tunnel trong điều kiện địa chất tốt, ít nước ngầm, chiều dài tunnel >
750m. Trong công nghệ này tất cả mọi công đoạn đều được cơ giới hoá hoàn toàn, đất
được đào ra nhờ mâm dao phía trước tổ hợp khiên. Chi tiết sơ đồ công nghệ và bố trí
thiết bi xem hình 5.4.
1 .
zz
2
3
4
5
ì'
6
7
¥
Hình 5.4. Sơ đồ thi công Íiíiinel ứng dụng khí nén kết hợp khiên thủ công và báu thủ công:
1 - khiên; 2 - khoang thi công; 3 - máy lắp ráp vỏ tunnel; 4 - camera an toàn; 5 - cầu thoát hiểm;
6 - vách ngăn chịu áp suất; 7 - cabin ra vào; 8 - khoang áp lực không khí bình thường;
9 - ống dẫn khí nén; 10 - cần trục cổng; 11 - giếng đứng; 12 - máy nén khí
T ổ hợp khiên g iữ g ư ơ n g đào bằng đất E P B :
Tổ hợp này được dùng để đào tunnel tại những vùng đất yếu, đất chảy nhưng ít thấm
nước dạng đất sét và pha sét. Trên thế giới được dùng để thi công các tuyến Metro ngầm
trong thành phố, qua đáy sông, đáy biển nơi có điều kiện địa chất như đã nói ở trên. Chi
tiết sơ đồ công nghệ và bố trí thiết bị xem trong chương sau.
114
T ổ hợp khiên g iư g ư ơ n g đào bằ ng d u n g dịch betonite S P B :
Tổ hợp này được dùng để đào tunnel tại những vùng đất yếu, đất chảy rất nhiều nước
ngầm. Dung dịch betonite cùng với gối khí nén tạo ra áp lực đủ lớn để khống chế áp lực
nước ngầm, đảm bảo cho gưcfng đào không bị sạt lở. Trên thế giới được dùng để thi công
các tuyến Metro ngầm trong thành phố, qua đáy sông, đáy biển nơi có điều kiện địa chất
như đã nói ở trên. Chi tiết sơ đồ công nghệ và bô' trí thiết bị xem trong chưcíng sau.
T ổ hợp khiên hỗn hợp M ix shield:
Đây là tổ hợp khiên hoạt động trên nguyên tắc giữ gương đào của cả hai loại khiên
trên. Tổ hợp này được thiết kế theo modul, tức là theo từng cụm có thể thay thế linh
hoạt. Nhờ phưcfng án trên các cụm của tổ hợp có thể thay đổi tuỳ thuộc vào yêu cầu giữ
gưcfng đào tương ứng với từng điều kiện địa chất cụ thể. Sơ đồ công nghệ và bố trí thiết
bị theo cả hai tổ hợp SPB và SPB chương 4.
5.1.3. Phương pháp áo mới, công nghệ khoan nổ mìn trong đất đá cứng
1. P h ư ơ n g ph áp áo mới
Phưcmg pháp thi công đường hầm mới của áo (New Austrian Tunneling Method NATM) là do nhà bác học người áo K . v Rabcewicz đề xuất ra trước tiên. Phưcmg pháp
này lấy phun bê tông và neo làm biện pháp che chống chủ yếu, thông qua giám sát đo
đạc khống chế biến dạng giới chất, dựa trên cơ sở kỹ thuật phun neo tổng kết lại và đề
xuất ra.
Hình 5.5. Giản đổ về khái niệm NATM của Rabcewicz
Trong cuốn sách của mình "Gebigtack und Tunnelbau"-1944, L . v Rabcewicz đưa ra
một hệ thống áp lực của đá và giải thích các hiện tượng đó. Nhiều nguyên tắc của
NATM đã được đề cập trong cuốn sách này. Trong bản quyền sáng chế 1948 của ông,
115
các nguyên tắc NATM đã được hình thành. Các nguyên tắc này được kiểm tra bằng các
biện pháp trong các tình huống biến dạng cụ thể.
Phương pháp xây dựng hầm NATM đã được nhiều nước tiên tiến trên thế giới công
nhận là phưcíng pháp xây dựng hầm hiện đại và có nhiều ưu điểm nổi trội hơn các pháp
thông thưòng. Chính vì tính ưu việt của phương pháp nên N ATM đã được nhiều nước
đưa vào quy trình thi công hầm của mình như Đức, Áo, Nhật Bản... ở Việt Nam phương
pháp NATM lần đầu tiên được áp dụng để thiết kế và thi công hầm đường bộ xuyên núi
Hải Vân (TP. Đà Nẵng) và sau đó được áp dụng thành công vào công trình hầm đường
bộ qua đèo Ngang (Tỉnh Hà Tĩnh).
Phương pháp thi công NATM tận dụng năng lực tự chịu tải của đất đá thường được
thi công trong nền đất đá có khả năng tự ổn định hình 5.6.
Hình 5.6. Trình tự và s ơ dồ công nghệ thi CÔIÌÍ’ tiinneì theo công nghệ áo mới NATM:
1 - máy khoan; 2 - neo; 3 - lưới thép; 4 - lớp bê lông phun (khô hoặc ướl) gia cô' tạm thời;
5 - tổ hợp máy bcím phụt vữ a bê tông; 6 - xe di chuyển có lắp các thiết bị quan trắc;
7 - ván khuôn di động, 8 - vỏ tunnel vĩnh cửu
Sau khi đào hở vách lò người ta gia cố tạm tời bằng khoan neo, bằng phun bê tông lên
bề mặt nóc và vách lò, đồng thời quan trắc một cách cẩn thận biến dạng hầm lò và khẩn
trương thi công vỏ lò vĩnh cửu.
Kỹ thuật che chống bằng phun neo so với kỹ thuật che chống bằng cấu kiện thép gỗ,
không chỉ khác nhau về biện pháp, nhưng quan trọng hofn là khái niệm về công trình
không giống nhau. Đó là một bước tiến thêm trong nhận thức và lí giảỉ rõ hơn về vấn đề
hầm và công trình ngầm. Do việc áp dụng và phát triển kỹ thuật che chống bằng phun
neo đã dẫn lý luận hầm và công trình ngầm bước vào lĩnh vực mới của lý luận hiện đại
và cũng khiến cho việc thiết kế và thi công hầm và công trình ngầm càng phù hợp thực
tế công trình dưới đất, tức là việc nhất trì giữa hệ thống lý luận thiết kế - phưcmg pháp
thi công - kết cấu và trạng thái công tác (kết quả). Do vậy, phương pháp thi công áo mới
là một loại phương pháp thi công đã được ứng dựng rộng rãi trong phạm vi toàn thế giới.
116
Trên ihế giới công nghệ này đã được ứng dụng cho các tunnel đi qua đất có khả năng
tự ổ:i định và đất có khả nãng tự ổn định kém với công nghệ tạm gọi là công nghệ đào
tunr.el bàng phương pháp “chống trước đào sau
Trong thực tế tại Việt Nam đã sử dụng
công nghệ này từ lâu, cụ thể là đào hầm qua núi đá bằng công nghệ khoan nổ mìn.
Tóm lại công nghệ thi công tunnel theo công nghệ áo mới NATM có 3 loại với 3 điều
kiệr địa chất hoàn toàn khác nhau đó là: Công nghệ “chống trước đào sau” kết hợp với
cônc nghệ áo mới; Công nghệ khoan nổ mìn thi công trong nền đá cứng - NATM; Công
nghé thi công tunnel NATM kết hợp máy đào liên hợp combai được trình bày trong các
mục 4, 5, 6 dưới đây.
2. Trinh tự thi c ô n g th eo cô n g n g h ệ á o m ói
Trình tự thi công theo phương pháp áo mới biểu diễn theo sơ đồ sau:
117
3. N guyên tắc c ơ bản của cô n g n g h ệ áo mới
Nguyên tắc cơ bản của thi công theo công nghệ áo mới gồm;
- ít làm lay động: Khi tiến hành đào mở tuyến ngầm, cần hết sức giảm thiểu (số lần,
cường độ, phạm vi và thời gian) lay động liên tục kéo dài. Vì thế nên dùng máy đào đâì
đá mà không dùng phương pháp khoan nổ để đào. Khi dùng phương pháp khoan nổ để
đào, cần phải nghiêm khắc tiến hành khống chế nổ phá dùng cách đào tiết diện lớn; căn
cứ loại đất đá, phương pháp đào, điều kiện che chống lựa chọn hợp lý chiều dài đào sâu
một tuần hoàn; đối với đất đá tự ổn định kém chiều dài đào sâu tuần hoàn nên ngắn lại;
việc che chống phải khẩn trương theo kịp mặl đào, rút ngắn thời gian để đất đá bị bong
rời không che chống.
- Phun n eo sớm : Sau khi đào xong cần che chống phun neo thời kỳ đầu, làm cho ứng
suất đất đá đi vào trạng thái khống chế ổn định. Làm như thế, một mặt không để cho đâì
đá biến dạng quá độ mà sinh ra sụt lở mất ổn định; mặt khác làm cho đất đá phát triển
biến dạng vừa phải, để phát huy đầy đủ năng lực tự chịu tải của mình. Khi cần thiết có
thể có biện pháp che chống trước.
- Clìăni chú đ o đ ạ c : Lấy phương pháp đo đạc bằng máy hoặc trực quan và số liệu đo đạc
bảo đảm để đánh giá trạng thái ổn định của đất đá (hoặc đất đá đã được gia cố hoặc phán
đoán xu thế phát triển động thái của chúng, nhằm điều chỉnh kịp thời hình thức che chống,
phương pháp đào bới, bảo đảm thi công được tiến hành thụận lợi và an toàn. Đo đạc trắc
địa là một tiêu chí quan trọng của công nghệ, là biện pháp để nắm vững quá trình thay đổi
động thái của đất đá và là căn cứ, số liệu để tiến hành thiết kế, thi công công trình.
- Nliaiilì chóng khép kín: Một mặt là chỉ phải dùng biện pháp che chống bằng phưn
bê tông ngay, tránh cho đất đã bị bóc trần dài ngày bị giảm sút cường độ và tính ổn định,
nhất là đối với địa tầng mềm yếu dễ bị phong hoá, mặt khác quan trọng hơn là nếu kịp
che chống bịt kín thì không chỉ ngăn không cho đất đá biến dạng mà còn làm cho lớp
che chống và tầng đất ở vào trạng thái cộng đồng hợp tác chịu lực tốt với nhau.
Phương pháp NATM khi áp dụng luôn luôn đảm bảo các nguyên tắc cơ bản và được
tiến sĩ Muller giới thiệu gọi là “22 nguyên íắc NATM" như sau:
(1) Kết cấu hầm là tổ hợp giữa đất đá và vỏ hầm, hầm chủ yếu được chống đỡ bằng
khối đá xung quanh
(2) V ì thế, điều quan trọng là phải giữ độ bền vững của khối đá.Cách chống đỡ truyền
thống bằng gỗ hoặc bằng vòm thép không thể ngãn ngừa sự biến dạng của khối đá xung
quanh hầm. Bê tông được phun ngay sau khi đào hầm có thể ngăn sự biến dạng của khối
đá một cách hữu hiệu.
(3) Sự phân rã của khối đá (loosening) phải được ngăn chặn vì nó làm cho cường độ
của đá giảm đi.
118
(4) Khối đá phải được giữ trong trạng thái ứng suất nén ba trục. Cường độ của khối
đá với ứng suất nén đơn trục, hai trục thấp hơn cường độ trong điều kiện ba trục.
(5) Biến dạng của khối đá phải được ngãn chặn từ xa. Phải thiết lập hệ thống chống đỡ
để ngãn chặn sự phân rã và nguy cơ đổ sập của khối đá. Tính kinh tế và chất lượng của
việc đào hầm sẽ tãng nếu các hệ thống chống đỡ được thiết lập một cách thích hợp.
(6) Hệ thống chống đỡ và vỏ hầm phải được lắp đặt kịp thời. Lắp đặt các hệ thống
chống đỡ quá sớm hay quá muộn sẽ đem lại kết quả bất lợi. Hơn nữa, hệ thống chống đỡ
cũng không được quá mềm hay quá cứng. Các hộ thống chống đỡ cần có một độ mềm
dẻo thích hợp để duy trì cường độ của khối đá.
(7) Để xác định thời gian thích hợp lắp đặt hệ thống chống đỡ, cần phải nghiên cứu
khảo sát ứng xử của khối đá.
(8) Không chỉ là việc thí nghiệm trong phòng mà việc tiến hành quan trắc sự biến
dạng của hầm rất quan trọng để xác định thời gian thích hợp chống đỡ vách đào. Thời
gian tự đứng vững của vách hầm, tốc độ biến dạng và loại đá cũng là những nhân tố
quan trọng để xác định thời gian chống đỡ vách đào.
(9) Nếu biến dạng hoặc sự phân rã của khối đá được dự đoán là lớn, thì bề mặt hang
phải được phun bê tông (shotcrete) che kín. Chống đỡ bằng gỗ và thép chỉ tiếp xúc với
bề mật tường hầm ớ các điểm chống, vì vậy trong khoảng giữa các điểm tiếp xúc biến
dạng và sự phân rã của khối đá vẫn sẽ phát triển.
(10) Vỏ hầm phải mỏng và có độ mềm dẻo thích hợp nhằm triệt tiêu mô men uốn và
tránh được phá hoại do ứng suất uốn gây ra. Không chỉ lớp vỏ hầm ban đầu (sholcrete)
nùi cả lứp vỏ hầm hoàii ihiện cũng cần phải mỏng.
(11) Trong trường hợp cần
thiêì phải tăng cường hệ thống
chống đỡ (ban đầu) thì sử dụng
các Ihanh thép, khung chống
thép và neo. Tăng chiều dày lớp
bê tòng vỏ hầm sẽ không có lợi
vì giảm diện tích tiết diện hầm.
(12) Thời gian và phương
pháp thi công
vò hầm được
quyết định dựa trên kết quả
quan trắc của các thiết bị.
(13) v ể mặt lý thuyết, kết cấu
của hầm giống như một ống hình
trụ gồm vòm đất đá, hệ thống
chống đỡ và vỏ hầm liên hợp với
Hỉnh 5.7. Mặt cắt ống vòm
của hệ thống chồng đỡ NATM
nhau làm cho hầm tự ổn định.
119
(14) Cấu tạo vòm ngửa (đáy hầm) tạo nên hầm có dạng ống trụ kín. Kết cấu này cho
phép tăng khả nãng chịu áp lực của đất đá.
(15) ứng xử của khối đá phụ thuộc vào tiến trình đào hầm và sự lắp đặt hệ thống
chống đỡ cho đến khi kết cấu kín của hầm được hình thành. M ô men uốn bất lợi xuất
hiện tại khu vực tiếp giáp của phần vòm và tường do hiệu ứng hẫng nếu như khoảng
cách giữa bề mặt gương đào phần vòm và phần tường xa nhau.
(16) Từ quan điểm phân bố lại ứng suất, phương pháp đào toàn tiết diện tốt hơn các
phương pháp khác. Khi phân mảnh sẽ làm cho chất lượng khối đá xung quanh giảm đi
nhanh chóng do phân bố lại ứng suất.
(17) Phương pháp đào hầm có ảnh hưởng rất lớn đến khối đá xung quanh, chẳng hạn
chu kỳ và sự liên tục của việc đào hầm, thời gian thi công vỏ hầm, thời gian kết thúc... các
yếu tố này cần được kiểm soát để tạo ra kết cấu liên hợp đảm bảo ổn định của đường hầni.
(18) Mỗi bộ phận hầm nên có hình dạng đường tròn nhằm tránh ứng suất tập trung bất lợi.
(19) Nếu hầm được thiết kế có vỏ kép thì vỏ hầm bên trong phải mỏng, ứng suất cắt
giữa vỏ ngoài và khối đá sẽ không truyền vào vỏ trong. Còn lực hướng tâm sẽ truyền cho
kết cấu vỏ kép.
(20) Kết cấu liên hợp của khối đá và kết cấu chống đỡ ban đầu phải hình thành trước
khi thi công lớp bê tông vỏ hầm trong. Lớp vỏ hầm bên trong chỉ có tác dụng làm tăng
hệ số an toàn cho hầm. Tuy nhiên, độ ổn định của kết cấu hầm cần được tính toán bao
gồm cả lớp bê tỏng vỏ hầm bên trong khi hẩm gặp nước thấm có lưư lượng lớn hoặc khi
tính đến khả nãng các neo bị ăn mòn.
(21) Thiết bị đo quan trắc đóng vai trò quan trọng đối với công tác thiếl kế và thi
cống đường hầm. V iệc đo ứng suất, chuyển vị của ^
hầm có ý nghĩa đặc biệt quan
trọng khi thi công hầm.
(22) Áp lực của nước ngầm xuất hiện trong khối địa tầng cần phải giải phóng bằng hệ
thống thoát nước.
4. C ô n g n g h ệ “c h ố n g trước đào sau ” kết hợp với cô n g n g h ệ áo mói
Khi thi công qua nền đất có khả năng tự ổn định kém, nếu tiếp tục ứng dụng công
nghệ áo mớí thì phải gia c ố nền đất yếu dưới sâu xung quanh hoặc xung quanh và toàn
bộ tiết diện tunnel bằng bê tông đất trước khi đào tunnel. Gia c ố nền đất có khả năng ổn
định kém dưới sâu bằng công nghệ trộn sâu tại chỗ M ix in situ mà nổi bật là công nghệ
khoan phụt vữa cao áp (K P V C A ) sẽ được đề cập kỹ trong chương 8.
Phưcíng án chống trước với hai giải pháp: Chống trước trên mặt đất (khi mật bằng cho
phép hình 5.8) và chống trước bằng cách gia c ố đất vượt lên phía trước tunnel ngang
hoặc nghiêng hình 5.9 kết hợp khiên hoặc NATM.
Thứ tự thi công tunnel bằng công nghệ chống trước đào sau là:
120
- Bước 1: Gia c ố lớp đất yếu dưới sâu;
- Bước 2: Đào lunnel (đào kín hoặc hở); Lắp lưới cốt thép;
- Bước 3: Khoan neo;
- Bước 4: Phun bê tông gia cố tạm thời (có lưới thép hoặc không có lưới thép);
- Bước 5; Đồng thời kiểm soát biến dạng thoả đáng và chính xác để kịp thời sử lý nếu
có sự cố và nhanh chóng thi công tunnel vĩnh cửu.
ỉlìn h 5.8. Chông trước hấiìiỉ íỊÌa cỏ'
Hình 5.9. Chỏiìíỉ trước bâng ỉiia có cỉđt
i n r ớ c khi ( lảo (l ên i nặt đ ấ t :
vượt lứiì p h í a t r ư ớ c l i t i u i e l l ìằni l ì ga ii ị ỉ:
1 - Ihiết bị KPVCA; 2 - bè tông
đất; 3 - tunnel; 4 - các cọc bê
tỏim đất chống lên nhau lạo một
lớp địa tầng tốt cho đào tuiinel.
1 - lớp đất yếu cần sử lý; 2 - các trụ xi mãng
đất được tạo ra bàng cách khoan chéo để tạo
ra lớp đất có khả năng chịu tải và chống thấm
nước tốt; 3 - khiên thủ công hoặc tổ hợp
khiên; 4 - lớp đất tốt; vỏ lò
5. C ô n g n g h ệ khoan n ổ min thỉ cô n g tro ng n ền đá c ứ n g
-
NATM
Đây là công nghệ thi công tunnel theo công nghệ áo mới N A TM trong điều kiện đất
clá cứng và rất cứng, khả nãng tự ổn định rất lớn. Công nghệ này đã được sử dụng ở Việt
Nam từ khá lâu, thưòfng được dùng để thi công các tunnel xuyên núi, dẫn nước cho các
nhà máy ihuỷ điện.
Dưới đây là sơ đồ khối ihứ tự thi công tunnel bằng công nghệ khoan nổ mìn:
121
G hi c h ú :
Các công đoạn cơ bản của các phương pháp thi công theo truyền thống và NATM cơ
bản là như nhau, sự khác nhau chỉ là vấn đề tận dụng tối đa khả năng mang tải của khối
đất đá bao quanh hầm, đây cũng là hạn chế lớn của NATM vì chỉ có đất đá có độ cứng
nhất định nào đó mới có khả nãng này. Từ đó mà các phương pháp thiết kế kết cấu vỏ
hầm có những điểm khác nhau rất cơ bản:
- Trong phương pháp thi công theo truyền thống, kết cấu vỏ hầm chủ yếu được tínli
theo tải trọng cho trước, với các mô hình nền phổ thông: Nền biến dạng cục bộ \Vincle,
nền biến dạng toàn bộ theo bán không gian đàn hồi....với các sơ đồ tính Ihường được
đưa về hệ thanh làm việc trong môi trường đàn hồi hay phi đàn hồi.
- Trong khi đó trong NATM các đề xuất về các phương pháp thiết kế vỏ hầm chưa
thật chặt chẽ, khó kiểm soát.
Phương pháp thi công theo truyền thống là phưcmg pháp lâu đời nhất, có lịch sử phát
triển cùng với lịch sử phát triển của ngành mỏ và đã đạt được những thành công đáng kê’
trong thế kỉ X X . Thành công lớn nhất của phương pháp khoan nổ chính là sự ra đời vù
phái triển của phương pháp thi công hầm mới của Áo - N ATM , ra đời trong những nãm
60 của thế kỉ X X và nhanh chóng trở thành một trào lưu trong lĩnh vực xây dựng hầm và
công trình ngầm của hầu hết các quốc gia trên thế giới và cho đến nay vẫn chưa mất tính
thời sự do các lợi ích của nó mang lại.
NATM kết hợp dùng các bulông neo đá và bê tông phun - chủ yếu dùng để làm kếl
cấu chống đỡ trong thi công (vỏ hầm sơ cấp) và sau này là một bộ phận cấu thành của vỏ
chịu lực trong khai thác (vỏ hầm thứ cấp) khi đào hầm trong đá cứng, đang được ứng
dụng trong thi công hầm đô thị, sau gần bốn thập niên phát triển liên tực và được đúc
kết, đã đạt tới độ hoàn thiện đáng tin cậy. Do vậy chỗ đứng của nó được đảm bảo trong
giới chuyên môn hầm. Phương pháp này có tính ưu việt vì nó có tính kinh tế trội hơn so
với công nghệ khiên đào, song với điều kiện là sự chuyển dịch của đất - hậu quả của các
biện pháp phòng nước không phải là một nguyên nhân gây quản ngại về mòi trường.
Lưới thép
Khung thép tổ hợp
Thép cừ
Thi còng trong khối đá bở rời, sử dụng ván thép tạo ỏ bảo vẻ
Hỉnh 5.10. Thi công hầm theo phương pháp NATM
NATM (hlnh 5.10) cùng với hệ thống lý thuyết của nó đã góp phần vào sự hiểu biết
và khả nãng áp dụng to lớn của con người khi xây dựng không gian ngầm với các
nguyên lắc cơ bản nhất như sau:
122
* Khối đất đá xung quanh là thành phần mang tải chính và khả nãng chịu tải của nó
phải được duy trì bằng cách không làm xáo trộn khối đá.
* Sức chịu tải của khối đá phải được bảo tồn bằng cách sử dụng các thành phần chống
đỡ bổ sung.
* Vỏ hầm phải có mỏng và nếu cần gia cường bổ sung thì phải dùng lưới thép, vì
chống thép và neo đá chứ không phải bằng cách tăng chiều dày vỏ hầm.
Dễ thấy rằng phương pháp thi công theo truyền thống với cách vẽ 1, 2 và 3 là sự lựa
chọn cho công trình bất kỳ, song vấn đề tiến độ sẽ khó khắc phục được, còn NATM chỉ
kinh tế và phù hợp với đá có độ cứng nhất định, với đất yếu, sự lựa chọn còn đang trong
quá trình tìm tòi, phát triển.
5.2. C Ô N G N G H Ệ ĐÀO KÍN BẰNG K H IÊ N VÀ T ổ H Ợ P K H IÊ N , T H I Ế T BỊ VÀ
PHÂN LO Ạ I
5.2.1. Công nghệ đào kín bằng khiên và tổ hợp khiên
1. C ô n g n gh ệ đào kín bằ ng khiên
Lịch sử công nghệ thi công đào tuyến ngầm toàn tiết diện bằng khiên và tổ hợp khiên
(Shield metod) bắt đầu lừ những nãm đầu thế kỷ trước. Trước đó khiên đào lò đầu tiên
dược chế tạo bởi kỹ sư Brunei (Pháp) là một khiên thủ công hình chữ nhật có kích thước
6,8x 11,4m đã được dùng để thi công tuyến tunnel ngầm qua đáy sông Thames ở London
v à o lh ế k ỷ X ĨX .
Khièn dào lò (shicld) là một loại kết cấu kim loại di động (nhờ kích), có nhiệm vụ
dảin bảo an toàn cho công tác xây dựng đường hầm từ đào đất tới lắp đặt vỏ tunnel tránh
sạt lở vách và gương đào.
Có thể hiểu sơ bộ công nghệ thi công đào kín bằng khiên như sau:
Người ta đưa vào lòng đất một kết cấu được hàn từ các kết cấu thép, có hình dạng
giống hệt hình dạng mặt cắt ngang của tuyến ngầm cần đào, trong lòng kết cấu thép đó
các người thợ sẽ tiến hành tất cả các công đoạn thi công từ khâu đào đất, bốc xúc và vận
chuyển đất lên trên bề mặt đất, thi công vỏ tunnel và sau đó bằng kích vít hoặc kích thuỷ
lực đẩy kết cấu thép mà ta gọi là khiên đó tiến lên một đoạn đúng bằng chiều dài đoạn
vỏ tunnel đã thi công xong để tiếp tục một chu kỳ thi công tuần hoàn tiếp và cứ như vậy
lặp lại ta được một tuyến tunnel đi ngầm trong đất với vỏ bê tông cốt thép vĩnh cửu.
Trong công nghệ đào hầm dùng khiên thì lớp vỏ hầm được thi công bằng cách lắp
ghép các cấu kiện (segments) ch ế sẵn. Một số lượng nào đấy các cấu kiện đúc sẵn trong
một công xưởng sẽ được vận chuyển và tập kết tạm thời ở một kho bãi gần công trường.
Đảm bảo có được một không gian như vậy không phải là dễ dàng, thậm chí trong một
giai đoạn tạm thời, ở một khu vực có mật độ công trình dày đặc. Đối với các vỏ hầm thi
công bằng cấu kiện lắp ghép, những phương pháp thiết kế khác nhau, được đề nghị dùng
123
cho các điều kiện đất đai và nước ngầm khác nhau, đều đảm bảo được cường độ cơ lý
của lớp vỏ ở hầu hết các trường hợp.
Khả năng phòng nước (water-stopping) của vỏ hầm được đảm bảo bằng cách dùns
các vật liệu hàn, đệm và trám kín khe nối giữa các mảnh cấu kiện. Tuv nhiên việc làm
kín nước lâu dài khó khăn hơn; nếu thật cần thiết thì phải dùng đến lớp áo thứ cấp
(secondary), đôi khi còn phải được gia cường thêm bằng các lưới cốt thép. Một số đánh
giá về phương pháp làm vỏ hầm lắp ghép cho rằng giá thành của các tấm cấu kiện là
cao, ngoài ra còn có thể phải làm thêm lớp áo thứ cấp, và các chi phí về vận chuyển cấu
kiện và thuê sân bãi, nên việc thi công là tốn kém.
Thời gian gần đây, giải pháp thay thế vỏ hầm lắp ghép bằng công nghệ đổ bê tông vỏ
hầm theo kiểu ép đẩy (extruded concrete lining- E C L ) đã được phát triển ở châu Âu, đặc
biệt là ở Đức. Đây là kỹ thuật thi công vỏ hầm bằng cách bơm đẩy bê tông thường hoặc
bê tông cốt sợi thép vào khe hổng giữa bề mặt hang đào và ván khuôn bên trong hầm.
Tuy nhiên nếu xét đến loại đất nền là quá rời lỏng và các tác động có thể về địa chấn, thì
việc sử dụng loại thép thanh để làm cốt cho bê tông vỏ hầm được cho là cần thiết, đây
chính là một biến thể của phương pháp E C L đang được triển khai ở Nhật Bản.
Trong mọi trường hợp, nhờ sự ép đẩy bê tông mà về lý thuyết, việc sử dụng phương
pháp E C L có khả năng giảm được lún đất nền, do vậy mà loại bỏ được yêu cầu về các
công việc làm thêm chẳng hạn như bơm vữa chèn lấp. Thiết nghĩ E C L là một phương
pháp triển vọng và cuối cùng là có tính kinh tế, mặc dầu nó đòi hỏi trang bị
(instalations) chuyên dùng để đẩy bê tông, cũng như là phải có ván khuôn bên trong mà
khó mà dùng lại được.
Ngoài ra người ta thấy là không có thiết bị đào hầm vạn năng đối với loại đất mềm yếu.
Thiết bị và các bộ phận cấu thành (components) của nó phải phù hợp với các điều kiện địa
chất cụ thể. Mặt khác, chính những phát triển về mặt kỹ thuật của thiết bị hiện có mới cho
phép thi công hầm theo cơ giới hoá, thậm chí ở trong các loại đất rất khó đào.
2. C ô n g n g h ệ đ à o kín b ằ n g t ổ h ợ p k h iên
Trên đây là giải thích nguyên lý thi công sơ bộ bằng khiên dạng thủ công (sẽ trình
bày cụ thể hơn ở phần sau). Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị thi công
tuyến ngầm, từ những khiên thủ công sơ khai ban đầu nay đã được cải tiến và hoàn thiện
hơn nhiều.
Ngày nay khi nói đến thi công bằng khiên ta hiểu là công nghệ mà ở đó thiết bị thi
công là một tổ hợp xây lắp tuyến ngầm được bảo vệ bởi khiên (shield) có kích thước
giống hệt mặt cắt ngoài của tuyến tunnel cần xây dựng, khiên này ngoài nhiệm vụ che
chống áp lực địa tầng còn có thể tiến lên phía trước trong địa tầng.
Bên trong vỏ khiên này là cả một tổ hợp xâv dựng, đoạn đầu khiên có mâm dao cắt để
cắt đất đá (mâm dao tròn phẳng như cái mâm trên bề mặt có các đĩa cắt nên đôi khi còn
124
được dịch là “máy thông hầm tấm phẳng”), phía sau mâm dao là khoang che chống gưotng
đào, đoạn giữa của khiên được lắp các kích đẩv cho mâm dao tiến lên, đuôi của khiên lắp
các ống bê tông vỏ hầm đúc sẵn hoặc các vành thép để đổ bê tông vỏ hầm vĩnh cửu.
Mỗi lần khiên tiến lên cự ly một vòng (một đốt), thì sẽ lắp đặt (hoặc đổ tại chỗ) một
vòng vỏ hầm dưới sự che chống của khiên, đồng thời người ta sẽ ép vữa xi măng có phụ
gia vào khoang hở phía sau lưng vỏ tunnei để giữ ổn định tầng đất sau thi công, tránh
cho mặt đất không bị lún xuống.
Để đẩy khiên tiến về phía trước các gối tựa đầu mút của các xi lanh thuỷ lực được
chống vào đốt vỏ tunnel cuối cùng vừa lắp đặt xong để đẩy khiên tiến lên.
Khi thi công trong nền đá cứng người ta dùng các chân chống thuỷ lực (Gripper
Shoes) tỳ vào vách lò để đẩy tổ hợp khiên tiến lên. Có hai loại tổ hợp đào lò trong đá
cứng: Tổ hợp máy đào đá cứng không cần khiên bảo vệ và tổ hợp máy đào đá cứng với
khiên bảo vệ (loại đơn và loại đôi).
5.2.2. Phân loại khiên và tổ hợp khiên
Khiên có nhiều loại, song có thể phân loại theo các dấu hiệu sau: theo mức độ cơ giới
hoá; theo công dụng của lunnel; theo phương pháp bảo vệ gưcíng đào, theo công nghệ
dào lò, gia c ố vách hầm và theo tiết diện mặt cắt ngang của tunnel đào v .v ...
1. T h eo m ức đ ộ c ơ g ió i h o á
Theo mức độ cơ giới hoá đào bốc xúc đất đá, vận chuyển đất đá và xây lắp vỏ tunnel,
các tổ hợp khiên đào hầm lò được chia thành những nhóm sau:
+ Khiên dào lò ihủ công;
+ Khiên đào lò bán thủ công;
+ Tổ hợp khiên đào lò cơ giới hoá 100%.
2. T h eo c ô n g d ụ n g củ a tu n n el
Theo công dụng của tunnel các tổ hợp khiên đào lò được chia làm hai nhóm:
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò chuyên dùng để đào tunnel dành cho giao thông như các
tổ hợp đào đường hầm metro, đường hầm ô tô, đường hầm đường sắt v .v ...
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò chuyên dùng để đào tunnel cho hạ tầng cơ sở đô thị như
đường ống thoát nước, đường ống lắp đặt các cáp điện, viễn t h ô n g v . v . ..
3. T h eo p h ư ơ n g án ch ổ n g sạt lở g ư ơ n g đào
Theo phương án chống sạt lở gương đào các tổ hợp khiên đào lò được chia làm bốn
nhóm sau:
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò trong đất có khả năng tự ổn định, không có khoang bảo
vệ gương đào (non Pressure Balance Shields);
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò bảo vệ gương đào bằng khoang chứa đất (Earth Pressure
Balance Shields);
125
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò bảo vệ gưofng đào bằng khoang thuỷ lực (BentoniteSlurry Supported Shields);
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò bảo vệ gương đào hỗn hợp (Mix Pressure Balance Shields).
4. Theo sô' khiên trong một tổ hợp
Theo số khiên trong một tổ hợp, các tổ hợp khiên đào lò được chia làm các nhóm sau:
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò với một khiên bảo vệ - Single Shield T B M ;
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò với hai khiên bảo vệ - Double Shields;
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò với guốc chống vào thành lò - Gripper TBM .
5. Theo các dấu hiệu khác
Ngoài ra khiên đào lò còn được phân loại theo các dấu hiệu khác như:
* T h eo diện tích m ặt cắt tunnel đ à o : Khiên loại nhỏ (đường kính nhỏ hơn 3,2 m),
khiên loại trung bình (đường kính nhỏ hơn 5,2m) và loại lớn (đường kính lớn hơn 5,2m).
Tổ hợp khiên đào tunnel lớn nhất hiện nay có đường kính 19m do hãng Herrenknech CHLB Đức sản xuất bán cho một công ty hạ tầng cơ sở Moskva.
* T h eo lĩnh vực ứng dụng đ à o lò các khiên đào lò được chia thành các nhóm
- Khiên đào lò dùng để đào tunnel
sau:
trong đất ngập nước;
- Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất thể hạt có độ ẩm bình thường;
- Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất độ ổn định kém có độ ẩm bình thường;
- Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất có độ cứng lừ 0 ,5 -5 theo bảng chia của
G S Prôkôbôvsky.
- Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất có độ cứng lớn hofn 5 theo bảng chia của
GS. Prôkôbôvsky.
* Dựa vào hình dạng m ặt cắt của khiên, khiên được chia thành các nhóm sau;
+ Khiên tròn;
+ Khiên hình elíp;
+ khiên hình chữ nhật;
+ Khiên hình móng ngựa.
Tunnel ngầm có mặt cắt tiết diện ngang hình tròn có thể chống lại áp lực đất và áp
lực nước tương đối tốt, lắp ráp vỏ hầm tưcíng đối đcfn giản, có thể dùng cấu kiện thông
dụng, dễ thay thế, vì thế được dùng tưcíng đối rộng rãi nên các tổ hợp khiên thường có
dạng trụ tròn.
Trên thực tế có các loại khiẻn và tổ hợp khiên sau:
- Khiên thủ công;
126
- Khiên bán thủ công;
- Tổ hợp khiên loại thường không có khoang bảo vệ gương đào;
- Tổ hợp khiên với khoang giữ gương đào bằng đất (earth pressure balance shield);
- Tổ hợp khiên với khoang giữ gương đào bằng dung dịch betonite (Slurrypressure
balance shield);
- Tổ hợp máy đào hầm lò trong nền đá cứng;
- Ngoài ra còn có các loại khiên và tổ hợp khiên đặc biệt với khoang giữ gương đào
bằng khí nén. Loại này là sự kết hợp khiên thủ công với khoang khí nén, khiên bán
thủ công với khoang khí nén.
5.2.3. ưu - nhược điểm của khiên đào
1. ư u điểm
- Dưới sự che chống của khiên có thể đào và xây vỏ một cách an toàn;
- Tốc độ thi công nhanh. Toàn bộ quá trình hoạt động của khiên như: đào, đưa đất đá
ra, lắp ráp vỏ hầm v.v... có thể cơ giới hoá, tự động hoá để giảm cường độ lao động;
- Quá trình thi công không ảnh hưởng đến giao thông và công trình trên mặt đất cũng
như giao thông thuỷ;
- Trong Ihi công không bị ảnh hưởng bởi thời tiết;
- Trong thi công không gây tiếng ồn và chấn động, không gây ô nhiễm môi trưòrng
xung quanh;
- Xây dựng trong đường hầm dài trong vùng đất mềm yếu ngậm nước, hoặc ở dưới
sâu luôn có tính ưu việt về inật kỹ thuật và kinh tế, vì thế phương pháp thi công bằng
khiên thích hợp nhất là xây dựng đường hầm trong địa tầng rời rạc, mềm yếu và có nước
ngấm, xây dựng đường hầm dưới đáy sông, trong thành phố (xây dựng metro) và các
loại công trình hạ tầng đô thị khác.
2. N hư ợc điểm
Phương pháp thi công bằng khiên thích hợp với đường hầm dài (có một số tài liệu cho
biết thi công các đường hầm ngắn hơn 750m thì không kinh tế). Bởi vì khiên là một tổ
hợp thiết bị cơ giới rất đắt, có tính chuyên dụng rất cao, mỗi loại thích hợp với điều kiện
thuỷ văn, địa chất, kích thước mặt kết cấu riêng đã được thiết kế ch ế tạo đặc biệt, không
thể thay đổi sử dụng một cách tuỳ tiện cho các công trình ngầm khác. Ngoài ra, nếu
đường hầm có bán kính cong quá nhỏ hoặc lớp đất phủ trên hầm quá nông thì gặp rất
nhiều khó khãn. Đường hầm dưới đáy nước nếu gặp lớp phủ quá nông thi công sẽ không
an toàn. Khi ihi công bằng khiên nếu dùng phương pháp giếng chìm để ổn định gương
đào, thì người lao động rất dễ bị bệnh “giếng chìm”, và ngoài ra còn rất nhiều bệnh khác
liên quan nên yêu cầu bảo hộ đối với lao động phải rất cao. Khi thi còng bằng khiên rất
127
khó tránh lún trong lớp đất phía trên, nhất là chỗ tầng đất mềm yếư lại có nước, khi lắp
vỏ hầm phải chú ý phun vữa \'ào sau lưng vỏ hầm. Những khuyết điểm nói trên trong thi
công bằng khiên đang được nghiên cứu khắc phục.
Với những tuyến ngầm có chiều sâu không lớn lắm nên thi công bằng công nghệ đào
hớ vì với lớp đất phủ nhỏ cùng với điều kiện địa chất không ổn định sẽ dẫn tới hiện
tượng sạt lớ đất bề mặt (hình 5.11). Nếu vì lý do đặc biệt bắi buộc phải Ihi công bằng
khiên thì phải có giải pháp ổn định địa tầng hợp lý và đặc biệt không được thi công bằng
tổ hợp khiên cân bằng áp lực gương đào bằng khí nén (Air- pressure balance).
Hình 5.11. Hiện tượng sạt lở dứt khi thi công hằng khiéii có dộ sáu khõiìg (lủ lớn:
1 - vỏ khiên; 1’- khoảng không gian phía sau mâm dao cắi; 2 - khoảng không gian phía
sau vỏ tunnel sau lấp ráp xong phải dược ép đầy vữa; 3 - vỏ tuiinel sau lắp ráp; 4 - mâm
dao cắt; 4 ’ - dấl phía Irước mâm dao bị sạt lở; 5 - kích ihuỷ lực (Kk dầu là kích vít);
6 - Thiết bị lắp ráp các đoạn vỏ lò; 7 - băng tải đất đá; 8 - goòng chở đất bánh sắt; 9 - các
đoạn vỏ tunnel chưa lắp
Tuy nhiên, giá thành một tổ hợp máy T B M là không rẻ, theo tính toán nếu chiều dài
của tuyến ngầm nhỏ hơn 7 50 m thì sử dụng tổ hợp khiên đào ngầm không hiệu quả vé
mặt kinh tế. Mặt khác, mỗi một tổ hợp khiên đào ngầm chỉ có hình dáng và kích thước
phù hợp với một tuyến ngầm tunnel nhất định nên việc dùng tổ hợp của tuyến này sang
thi công cho tuyến có mặt cắt tiết diện khác là không phù hợp và di chuyến máy giữa
các công trình gặp nhiều khó khăn do phải tháo rời và kích thước máy quá lớn.
5.2.4. P h ạm vi ứng dụng của khiên và tổ hợp khiên đào
Công nghệ thi công kín bằng khiên đã được ứng dụng trong xây dựng công trình
ngầm hạ tầng kỹ thuật ờ các đô thị như; đường ngầm thoát nước, đường cáp điện lực,
viễn thông...m à không cấn phải đào bới gây cản trở nhịp sống đô thị. Công nghệ này
được gọi là công nghệ thi công tunnel mặt cắt nhỏ Microtunnelling (hình 5.12).
Công nghệ thi công bằng khiên và tổ hợp khiên dùng để đào các tuyến ngầm đi qua
các vùng núi đá thay cho công nghệ khoan nổ mìn để xây dựng tunnel dẫn nước cho các
nhà máy thuỷ điện, các luyến ngầm giao thông đường sắt, đường bộ v.v ...
128
2
3
E ® !Í S £ _ 5 H
6
t^-12
4
B I S ^
—
^15
Hinh 5.12. Công nghệ thi công tiinnel mặt cắt nhỏ Microtunnelling
1- Bể lằng hoặc máy tách đất; 2- Phòng điều khiển; 3- Cầu trục; 4- Các công trình trên
mặt đất; 5- Bơm cấp nước; 6- Hệ thống ống dẫn; 7- Giếng khởi động nhìn từ trên xuống;
8- Khung ép ống với hệ thống thuỷ lực công suất lớn; 9- Máy trắc đạc Laze; 10- Khiên
dào; 11- Các đốt ống bê tông cốt thép; 12- Giếng khởi động; 13- Bơm bùn; 14- Đường
ống sau khi lắp; 15- Giếng cuối.
Đặc biệt các tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng đất và bằng dung
dịch bentonite dùng để thi công các tuyến ngầm giao thông ở những nơi có điều khiện
địa chất phức tạp. Các tổ hợp khiên này đã và đang được sử dụng để xây dựng các tuyến
giao ihông đường sắt đô thị (metrô), các tuyến giao thông đường bộ đường sắt xuyên
qua sông, eo biển và cả những vùng đất sình lầy.
Trong tổng số đường hầm ngầm thi công bằng công nghệ khiên ở các nước khoảng
7 0% được xây dựng cho dẫn nước, 3 0% dùng cho Mêtrô và đường ôtỏ. Hiện nay đường
hầm ngầm dưới đáy sông được xây dựng bằng công nghệ khiên ở trên thế giới đã có hơn
20 tuyến, và sự nghiệp phát triển giao thông đưòìig bộ, đường hầm ngầm ô tô dưới đáy
sông được xây dựng bằng công nghệ khiên ở các nước sẽ ngày một tăng lên.
Tại Việt Nam (cụ thể là thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội) đã và đang xúc tiến thực
hiện hàng loạt các tuyến đường sắt cao tốc đô thị, trong đó có nhiều tuyến bắt buộc phải
đi ngầm trong lòng đất. Với đặc điểm địa chất của cả hai thành phố là nền đất yếu có
nhiều nước ngầm, nhiều địa điểm tuyến phải đi qua các túi bùn v.v... thì việc phải sử
dụng các tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực hỗn hợp bằng đất và bằng
dung dịch bentonite (Mix pressure balance shields) hiện đại là bắt buộc mặc dù giá
thành sẽ bị đẩy lên rất cao.
5.2.5. Công nghệ thi cồng tunnel m ặt cá t nhỏ bằng tổ hợp khién đào
Công nghệ thi công tunnel mặt cắt nhỏ bằng tổ hợp khiên đào lò hay còn gọi là
công nghệ kích đẩy ịP ip e .ỉơcking) - là công nghệ lắp đặt các hệ thống đường ống ngầm
hạ tầna kỹ thuật đô thị mà không cần thực hiện đào bới lộ thiên như các công nghệ
truyền thống.
129
Công nghệ này được sử dụng chủ yếu cho các đường hầm có đường kính nhỏ đặt ở
chiều sâu không lớn lắm và xây dựng tại những nơi mà công nghệ đào hở khỏng thích
hợp. Công nghệ kích đẩy về bản chất, đó là “Công nghệ hạ giếng ngang". Cùng cơ sở
như nhau cũng có thể gọi nó là công nghệ “khiên đào mini”. Bản chất công nghệ là vì
chống lubin kín được lắp đặt vòng nọ tiếp vòng kia trong khoang chuyên dùng cách xa
gương hầm. Cùng trong khoang đó, người ta thực hiện kích ép vì chống vào gưong hầm
theo tiến trình đào đất. Để giảm ma sát vì chống với khối đất, không gian phía sau tubin
được bơm vữa sét,
Điểm khác biệt giữa của công nghệ này so với công nghệ lắp đặt đường ống bằng
công nghệ đào hở là, công nghệ không đòi hỏi phải ngừng các tuyến giao thông, đào bới
các vườn hoa và các ảnh hưỏfng khác trong hoạt động của đố thị trên mặt đất.
Công nghệ này cũng khác với các công nghệ thi công ngầm hạ tầng kỹ thuật khác ở
chỗ, nó không đòi hỏi công tác chuẩn bị quá dài, liên quan tới đào lò đứng. Để lắp
đặt đường ống tunnel ngầm theo công nghệ này chỉ cần hai giếng đứng: một giếng đầu
khởi động và một giếng cuối tiếp nhận, cả hai có độ sâu đúng bằng độ sâu đường ống
cần phải lắp đặt.
Trong giếng đầu khởi động người ta lắp đặt một trạm tổ hợp kích thuỷ lực công suấi
lớn, trên các kích đó bố trí tổ hợp Tchiên đào lò có đường kính bằng đường kính ngoài
của đốt ống bê tông tiền chế cần lắp đặt. Quy trình công nghệ như sau:
- Các kích thuỷ lực tỳ vào vỏ khiên và đẩy khiên cùng với mâm dao cắt tiến về phía
trước để đào lò, khi hết hành trình người ta thu các cần đẩy của kích lại và lắp các đoạn
ống thép vào và kích lại đẩy ra đến khi hết hành trình người ta lại lắp các đoạn ống khác
có chiều dài lớn hơn vào và một chu kỳ đẩy mới lại tiếp tục.
- Khi chiều dài của các đoạn ống thép và hành trình của cần kích thuỷ lực đã lớn hơn
chiều dài của một đoạn ống bê tông cốt thép thì từ trên mặt đất một đoạn ống được đưa
xuống một đầu được ghép vào vỏ khiên, đầu còn lại được tỳ vào vành tỳ với các đầu đẩy
của các kích thuỷ lực một chu kỳ mới lại bắt đầu. Với kết cấu như vậy người ta tiết kiệm
được không gian giếng khởi động cũng như giếng tiếp nhận.
Đưa đốt bê tông cốt thép xuông giếng khới động để ộp
Hình 5.13. Tổ hợp khiên đào AVN của hãng Herrenknecht AG LB. Đức
130
- Xem thêm -
.PDF 
114 
50 
92 
