khai thác kết cấu hoạt động và quy trình lắp đốt hầm của máy khoan hầm TBM cân bằng áp lực bằng vật liệu khoan

Khái niệm Máy tbm TBM tunnel boring machine là thiết bị khoan hầm có thể thi công trên mọi loại địa chất từ đá cứng đến đất yếu, đất sét, đất bồi hay đất cát dưới mực nước ngầm, đi xuyên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI

Hà Nội, 2024

MỤC LỤC

Chương 1 : Tổng quan và sơ lược về máy khoan hầm TBM

1.1 Vài nét về xây dựng công trình ngầm

1.2 Khái niệm máy TBM

2.Phân loại

3 Phạm vi sử dụng

Chương 2 : Cấu tạo và hoạt động

2.1 Cấu tạo thiết bị máy khoan hầm TBM

2.2 Hoạt động của máy khoan hầm TBM

Chương 3 : Quy trình lắp đốt hầm

Chương 1 : Tổng quan và sơ lược về máy khoan hầm TBM

1.1Vài nét về xây dựng công trình ngầm

Khoảng giữa thế kỷ 19, ngành đường sắt phát triển mạnh mẽ kéo theo công nghệ đào hầm ra đời để phục vụ thi công các công trình tàu điện ngầm Đầu tiên

là công nghệ đào hầm nổ mìn cổ điển Nhược điểm của nó là thi công đào hầm mất nhiều thời gian, độ an toàn thấp vì nổ mìn gây rung chấn, thời gian thi công rất chậm, đặc biệt khó khăn khi thi công các đường hầm dài Thời kỳ đó, cơ khí,

tự động hóa phát triển, công nghệ mới phát triển là cơ sở thôi thúc các kỹ sư hầm tìm ra công nghệ mới nhằm phục vụ thi công đào hầm được dễ dàng và an toàn hơn Năm 1846, tại Turin (Italia), mẫu máy TBM tiền thân đã xuất hiện, được thử nghiệm và đưa vào áp dụng thi công hầm Cỗ máy này rất cồng kềnh,

áp dụng thực tế không hiệu quả Gần 100 năm sau, đến năm 1930, J.S Robbins mới nghiên cứu và cho ra đời mẫu máy TBM đầu tiên với những tính năng tương đối giống như máy TBM ngày nay Những năm 1950, TBM được áp dụngrộng rãi trong đào hầm núi đá Đến nay, máy TBM ngày càng được hoàn thiện hơn và trở thành công nghệ số 1 trong thi công các công trình liên quan đến đào hầm như giao thông, thủy điện

1.2 Khái niệm Máy tbm

TBM (tunnel boring machine) là thiết bị khoan hầm có thể thi công trên mọi loại địa chất từ đá cứng đến đất yếu, đất sét, đất bồi hay đất cát dưới mực nước ngầm, đi xuyên núi hay lòng biển.TBM là thiết bị đào và làm đường hầm bằng phương pháp nghiền nát đá, hoàn toàn không gây nổ, công nghệ của Italy Đầu máy có đường kính 5,5m, nặng 450 tấn được lắp 37 mũi khoan làm bằng hợp kim đặc biệt gọi là "black diamon", có thể đâm thủng những lớp đá cực cứng Cùng với việc đào không khoan nổ và vận chuyển vật liệu đá đào ra ngoài bằng băng chuyền, thiết bị này đồng thời còn lắp dựng bê tông đúc sẵn vỏ đường hầm Nghĩa là máy đi đến đâu đường hầm được hoàn thiện ngay đến đó

Đất đượcTBM là loại khiên cân bằng áp của herrenknecht được sử dụng trong các điểu đào bởi đầu cắt của khiên sẽ được gia cố gương đào Chất tạo bọt được bơm vào trước đầu cắt làm cho đất đào kết dính lại đảm bảo kiểm soát chính xác áp lực hỗ trợ bề mặt cũng như dễ dàng đưa được đất đào ra ngoài.

Những tính năng ưu điểm của khiên đào cân bằng áp

+ Tính ổn định cao nhờ áp lực hỗ trợ gương đào

+ Phạm vi sử dụng rộng rãi thông qua việc xử lý đất hoàn hảo

+ Luôn áp dụng các kỹ thuật công nghệ mới có kích thước lớn

+ Luôn đổi mới về công nghệ đáp ứng nhu cầu chuyên biệt

2) Phân loại

Máy thi công công trình ngầm là những máy xây dựng và thiết bị có tính chuyêndụng cao phục vụ cho công tác xây dựng công trình ngầm, tuyến tunnel ngầm giao thông đường sắt, đường bộ, tuyến đường ống ngầm hạ tầng kỹ thuật đô thị, thuỷ điện Do vậy máy và thiết bị thi công công trình ngầm có rất nhiều chủng loại và đa dạng Người ta phân loại máy và thiết bị thi công công trình ngầm theo nhóm máy chủ đạo của từng công nghệ thi công hoặc theo công dụng của chúng như sau:

2.1 Tổ hợp máy phát lực: Tổ máy phát lực có nhiệm vụ cung cấp động năng cho các cơ cấu công tác của các máy thi công ngầm làm việc Tổ máy phát lực của các máy thi công công trình ngầm có thể là tổ hợp động cơ điêzel - bơm dầu thuỷ lực, tổ hợp đông cơ điện – bơm dầu thuỷ lực, tổ hợp động cơ điêzel – máy nén khí hoặc các đông cơ hoạt động độc lập v.v

2.2 Máy bốc xúc và vận chuyển đất đá hầm lò:

• Máy bốc xúc: có nhiệm vụ bốc xúc đất đá làm sạch mặt bằng phía trước gương đào để đổ trực tiếp hoặc gián tiếp vào các máy vận chuyển đất đá Các máy này có hai loại là loại làm việc theo chu kỳ và loại bốc xúc liên tục

• Máy vận chuyển hầm lò gồm có:

- Các máy vận chuyển liên tục như: băng tải, gầu tải, vít tải v.v có nhiệm vụvận chuyển đất đá ra khỏi gương đào và vận chuyển vật liệu xây dựng và máy móc từ mặt đất tới nơi thi công Hướng vận tải là phương ngang hoặc phương nghiêng

- Các máy vận chuyển không liên tục như: ôtô tải hầm lò, vận tải đường 6 sắt

xe goòng hầm lò Hướng vận chuyển là phương ngang hoặc phương nghiêng * Máy nâng chuyển: đây là những máy có hướng vận chuyển gần như vuông góc

với tuyến tunnel Chúng được bố trí ở giếng đứng có nhiệm vụ đưa đất đá lên mặt đất và đưa vật liệu, cấu kiện xây dựng cùng với công nhân xuống tuyến ngầm Ta phải phân biệt các máy này với các máy nâng chuyển phục vụ thi côngcông trình ngầm như các tầng hầm nhà cao tầng, các bãi đỗ xe ngầm và tuyến ngầm bằng công nghệ đào hở

2.3 Máy và thiết bị thi công tuyến ngầm và công trình ngầm bằng công nghệ đào hở gồm có:

- Các máy thi công tường trong đất;

- Các máy bốc xúc đất trong công nghệ đào hở;

- Các máy nâng chuyển trong công nghệ đào hở - cổng trục

2.4 Máy và thiết bị thi công tuyến ngầm bằng phương pháp khoan nổ mìn:

- Các dụng cụ khoan: Mũi khoan, ty khoan (cần khoan)

- Các máy khoan cầm tay;

- Tổ hợp khiên cơ giới hoá hoàn toàn loại thường dùng cho đất mềm – 7

“Soft Ground Non Pressurized”;

- Tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng đất – “EARTH

- Máy và thiết bị gia cố vách tunnel tạm thời bằng công nghệ phun khô;

- Máy và thiết bị gia cố vách tunnel tạm thời bằng công nghệ phun khô;

- Máy trộn bê tông;

- Các loại ván khuôn di động;

- Máy vận chuyển bê tông;

- Máy bơm bê tông;

- Máy làm chặt bê tông;

- Máy lắp ráp vỏ lò;

- Máy ép vữa

2.7 Máy và thiết bị phụ trợ thi công tuyến ngầm khác như:

- Máy sử lý nền đất cho tuyến ngầm

– Máy và thiết bị sử lý nền đất yếu bằng công nghệ khoan phụt vữa cao áp - Máy và thiết bị thông gió tuyến ngầm;

- Máy và thiết bị định vị hướng đào;

- Các máy tách đất, máy bơm bùn v.v

- Thiết bị an toàn, chiếu sáng Máy và thiết bị thi công công trình ngầm có thể là một máy đơn lẻ, một cỗ máy phục vụ cho một công đoạn trong công nghệ thi công và nhiều khi chúng được coi như một dây chuyền (một công xưởng) thực hiện trọn vẹn toàn bộ các công đoạn của một công nghệ thi công từ đào đất tới thi công vỏ hầm tunnel vĩnh cửu

2.8 Cấu tạo chung của máy công trình ngầm gồm những bộ phận chính cơ bản sau:

a Thiết bị động lực: Động cơ đốt trong, điện, bơm dầu và máy nén khí

b Hệ thống truyền động: Cơ khí, thuỷ lực, điện, khí nén và hỗn hợp

c Cơ cấu công tác

d Cơ cấu di chuyển

e Hệ thống điều khiển

f Các thiết bị phụ khác: thiết bị an toàn, chiếu sáng, trên các tổ hợp khiên đào lò được trang bị các máy tính hiện đại cho phép tự động hoá nhiều khâu từ đào đất, điều khiển tới thi công hoàn chỉnh một tuyến ngầm Tuỳ theo yêu cầu

và chức năng, một số máy có thể có đầy đủ các bộ phận trên hoặc chỉ có một vài

bộ phận

3) Phạm vi sử dụng

Công nghệ TBM khắc phục hoàn toàn tình trạng sang chấn địa chất dẫn đến

sự cố sập hầm dễ mắc phải do áp dụng phương pháp khoan nổ trước đây Ngoài

ra, công nghệ này còn bảo đảm các vấn đề về môi sinh, môi trường

Về tàu điện ngầm là công trình quan trọng trong cấu trúc giao thông của các thành phố lớn trên thế giới Các công trình tàu điện ngầm thường được xây dựngtrong các thành phố đông đúc với mục đích làm giảm số người sử dụng phương tiện cá nhân để giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông, ô nhiễm môi trường Khi TBM chưa ra đời thì hầm tàu điện ngầm phải thi công bằng phương pháp đào hở (cut & cover) Cách làm này ảnh hưởng lớn đến các công trình trên mặt đất, chiếm dụng nhiều không gian phục vụ thi công

Chính vì thế, công nghệ TBM ra đời được đánh giá là cứu cánh cho các dự

án tàu điện ngầm vì những ưu điểm của nó Đào hầm bằng công nghệ TBM thi công phần lớn dưới mặt đất nên không tốn diện tích phục vụ thi công và hầu nhưkhông làm ảnh hưởng đến các công trình xây dựng trên mặt đất Đặc điểm của hầm tàu điện ngầm là rất nông (chỉ khoảng -10 đến -15m so với mặt đất), đa số hầm có địa chất rất phức tạp, mức nước ngầm cao , nên việc thi công bằng công nghệ TMB đã giải quyết được tất cả những vấn đề trên trong khi tất cả các phương pháp khác không làm được Hai loại máy TBM thường được dùng nhiềunhất để thi công hầm tàu điện ngầm là EPB (ứng dụng áp lực cân bằng) và Slurry (dùng thủy lực)

Hầu hết các công trình tàu điện ngầm trên thế giới, trong đó có nhiều công trình đường hầm dài đều sử dụng hai loại máy này và để lại những dấu ấn về tiến độ, chất lượng Có thể kể đến là công trình hầm đường sắt nối Pháp với Anh, dài 50,5km, khởi công năm 1988, hoàn thành năm 1994 Gần đây nhất là đường hầm Gotthard dài nhất thế giới (57km) ở Thụy Sĩ khánh thành năm 2015.Đường hầm này có địa chất đá rất phức tạp nhưng không gây khó cho các nhà

thầu khi họ áp dụng công nghệ TBM thi công Công trình đưa vào sử dụng đạt chất lượng cao, tàu đi qua đường hầm có thể chạy với vận tốc 250km/h

Ngoài việc là công nghệ không thể thay thế khi thi công các công trình tàu điện ngầm, công nghệ TBM cũng được nhiều nhà thầu lựa chọn khi thi công cáccông trình ngầm bởi nó có nhiều ưu việt Đầu tiên là độ an toàn cao So sánh vớicác phương pháp đào hầm khác thì đây là phương pháp đào hầm an toàn nhất Hầm được đào trong vỏ sắt bảo vệ của máy TBM Hầm đào đến đâu, vỏ bê tông vĩnh cửu được lấp tới đó, khoảng không giữa vỏ bê tông và lớp đất ngoài được phun vữa bê tông chất lượng cao hoặc hỗn hợp silicat đạt tiêu chuẩn nên việc sập hầm không xảy ra Kỹ sư, công nhân tham gia thi công cũng được an toàn hơn so với các phương pháp khác

Một trong những tính ưu việt khác của TBM là thi công không ảnh hưởng đến các công trình xung quanh Máy TBM đào đất và lắp vỏ hầm hoàn toàn tự động, nếu thi công tàu điện ngầm thì trên mặt đất xe cộ vẫn chạy bình thường Ngoài ra, việc thi công nhanh là ưu điểm nổi bật của công nghệ TBM vì mỗi ngày có thể đào và lắp vỏ bê tông trung bình từ 10-20m Đó là chưa kể đến những ưu điểm khác như 12 ít làm ô nhiễm môi trường, hiệu quả kinh tế cao khi công trình được đưa vào sử dụng nhanh hơn

Chương 2 : Cấu tạo và hoạt động

2.1 Cấu tạo thiết bị máy khoan hầm TBM

Phương pháp đào hầm bằng BMT có nhiều ưu điểm so với khoan hầm thủ công hoạc khoan nổ mìn Nếu trong phương pháp khoan mìn hoạc đào thủ công tốc độ mở lớn nhất trên một gường đào là 30-100m/tháng cho đường ngầm ôtô 2

luồng thì cũng trong đất như vậy TBM có thể đảm bảo tố độ mở hầm 300-400m/tháng và lớn hơn Giá thành xây dựng giảm trung bình 20-30% Đặc biệt sử dụng TBM có hiệu quả khi đào đường hầm kéo dài hơn 1 đến 1,5 km.

TBM được trang bị cơ cấu đào đất, gầu và băng tải để vận chuyên đất lên cácphương tiện vận chuyển TBM tác động mang tính lựa chọn được sử dụng phổ biến Bộ phận làm việc của chúng được di chuyển trên cần gắn trên phần thân của máy đào, máy kéo hoặc 14 máy tời chuyên dùng Máy có một hoạc hai đầu cắt-cần lái cho phép tạo nên hầm đào dạng bất kỳ nào : vòm, chữ nhật, tròn, elip vv… Nhược điểm của TBM là không thể sử dụng chúng trong điều kiện đất thayđổi trong phạm vi rộng Tiếp tục hoán thiện TBM là xem xét tạo ra các cơ cấu tác động trong phạm vi sử dụng rộng với các bộ phận làm việc roto hoạc nhiều cần trang bị cơ cấu treo để lắp đặt hệ thống chống tạm thời cũng như các

ngầm được đào từng đoạn trên toàn bộ tiết diện kết hợp với hệ thống chống đỡ tạm thời phương pháp nyasf chỉ nên sử dụng cho các đoạn hầm ngắn từ 200-300m Các khu vực có đất đá đủ cứng có thể dùng các thiết bị sau: - Đất có hệ sốkiên cố f=4-6 phổ biến sử dụng phương phát đặt bậc dưới, trong đó phần trên bậc được mở ngay trên toàn bộ chiều dài hầm đào hoặc vượt trước so với phần dưới với l= 30-50m

Đất đá dạng phiến, sét kết aleurolit v.v có hệ số kiên cố f = 3-5, cúng như đấtyếu no nước thường sử dụng phương pháp mới của áo (HATM) Đầu tiên tiến hành đào phần đỉnh hầm, gia cường bằng bê tông - phun dày 15-20cm, phun lên lớp lưới thép (h.18) Có thể dùng hệ chống liên hợp từ bê tông phun kết hợp neo hoặc cung vòm Vỏ mềm bê tông phun có khả năng biến dạng mà không bị sụt

lở nhờ tính từ biến của bê tông phun

Sau khi khối đất xung quanh tắt biến dạng (ghi theo đồng hồ neo) tiến hành đào phần giữa của hầm và đổ bê tông vỏ hầm hoặc bê tông - phun dày 25-30cm Khi có nước ngầm trong hầm đào, cần dán lớp cách nước giữa lớp bọc ngoài và

vỏ hầm Trong phương pháp này kết cấu vỏ hầm được giảm nhẹ rất nhiều nhờ tận dụng quá trình ngưng từ biến của đất, tuy nhiên dễ xuất hiện sự cố khi vành đường hầm lún nhiều,đặc biệt khi tải trọng ngoài không đều

Khiên mở hầm là hệ chống di động Trong phương pháp này đất được đào và

vỏ hầm cố định được lắp đặt gần như đồng thời

Các khiên khác nhau về hình dáng, kích thước mặt cắt, khả năng chịu lực, phương pháp đào đất và gia cường mặt gương hầm v.v

Hình dạng mặt cắt ngang của các khiên rất khác nhau: tròn, vòm, chữ nhật, thang, elip v.v

Trong phần lớn các trường hợp, khiên có dạng hình tròn tương ứng với dạng

vỏ hầm Nhưng sử dụng tiết diện đường hầm hiệu quả hơn lại là vò hầm có dạng chữ nhật Theo phương pháp đào đất khiên có loại chính: Không cơ giới hoá: đất được đào thủ công hoặc dùng dụng cụ cơ giới cầm tay Cơ giới hoá: tất

cả các thao tác đào đất, thu dọn đất hoàn toàn được cơ giới hoá

Cấu tạo khiên :

Vòng dao cắt đất theo chu tuyến hầm đào và để bảo vệ người làm việc trong gương hầm Khi mở hầm trong đất mềm, vòng dao có phần trên rộng ra- dầm dẫn, còn trong đất yếu- mái đua ngăn ngừa sự cố

Vòng tựa cùng vòng dao là các kết cấu chịu lực chính của khiên các kích để

di chuyển khiên được phân bố đều theo chu vi vòng tựa khi đường kính khiên khoảng 10m thường được bố trí 30-36 kích

Vỏ đuôi gia cường chu tuyến của hầm đào tại vị trí thi công vòng tiếp theo của vỏ hầm Các khiên không cơ giới hoá được trang bị bổ sung các vách ngăn ngang và đứng, các tấm sàn đua, cũng như các kích sàn và gương hầm các vách ngăn ngang và đứng tạo cho kết cấu khiên độ cứng cần thiết và chia gương hầm thành các ô lưới, trong đó đất được đào đi

Vấn đề hoàn thiện các kết cấu của khiên được tiến hành theo hướng tạo ra những khiên di chuyển độc lập với vỏ hầm kết hợp tựa vào vòng chống nhờ vỏ ống lồng v.v…

Các khiên cơ giới hoá Khiên cơ giới hoá được trang bị các bộ phận để đào

cấu để bốc đất và đưa ra ngoài giới hạn của khiên Các khiên cơ giới hoá giảm mức độ nặng nhọc, tăng tốc độ mở hầm, đảm bảo chu tuyến hầm đào phẳng, chophép sử dụng các dạng vỏ hầm hợp lý (ép vào đất, nén ép toàn khối v.v )

Đất không dính có độ ẩm tự nhiên, có thể sử dụng các khiên có sàn ngăn nằmngang đua ra chút ít sau vòng dao và nằm ở độ cao 0,8-1,2m Nhờ vậy gương hầm được chia ra nhiều tầng, trong mỗi tầng đó, đất được đổ trên các sàn theo góc nghiêng tự nhiên đảm bảo ổn định cho gương hầm không cần gia cường cưỡng bức (h.23) Để mở hầm ngầm trong đất no nước không dính, có thể sử dụng hệ thống khiên cơ giới hoá khác nhau, đảm bảo đào đất và gia cường mặt gương hầm (h.24a) Để mở đường hầm trong đất no nước không ổn định sử dụng các khiên có buồng hơi ép gần gương hầm hoặc các khiên có buồng chứa huyền phù bê tông gần gương hầm (h.24b) Đất sét dính và bùn có độ thấm nướcthấp, sử dụng các khiên cơ giới có gia tải đất tạo nên trong buồng cạnh gương lònhờ nén chặt đất đào Các tấm được trang bị bộ phận làm việc dạng rôto và màng liên tục tách buồng cạnh gương lò khỏi phần còn lại của khiên