Chương IV. Máy thi công tuyến ngầm bằng công nghệ khiên và tổ hợp khiên

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 tu

Chương IV Máy thi công tuyến ngầm bằng công nghệ khiên và tổ hợp khiên

§ 4.1 Công nghệ đào kín bằng khiên và tổ hợp khiên, thiết bị và phân loại

I Các công nghệ đào kín kết hợp khiên

Lịch sử công nghệ thi công đào tuyến ngầm toàn tiết diện bằng khiên và

tổ hợp khiên (Shield method) bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ trước Trước

đó khiên đào lò đầu tiên được chế tạo bởi kỹ sư Brunel (Pháp) là một khiên thủ công hình chữ nhật có kích thước 6,8 x11,4 m đã được dùng để thi công tuyến tunnel ngầm qua đáy sông Thames ở London vào thế kỷ XIX

Về bản chất khiên đào lò (shield) là một loại kết cấu kim loại di động (nhờ kích), có nhiệm vụ đảm 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

1) Khiên thủ công kết hợp khoan - nổ mìn: Phương án này được sử dụng khi đào tunnel qua vùng có điều kiện địa chất ổn định, ít nước ngầm Bản chất của công nghệ này là khoan tạo lỗ, nổ mìn, bốc xúc đất đá vận chuyển 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

2) Khiên thủ công kết hợp máy đào liên hợp (combai): 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 hình 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

3) Khiên thủ công 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 công, đất được đào bởi sức người bằng dụng cụ thủ công, máy khoan cầm tay hoặc búa chèn hơi vv… vỏ tunnel được lắp từ những mảnh

vỏ chế 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

4) Khiên thủ công ứng dụng khí nén: Phương án này được áp dụng khi đất yếu, ngậm nước và chiều dài tunnel nhỏ hơn 750m Theo phương 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 vv…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 4.1 ta có thể thấy vách ngăn 6 ngăn khoang thi công 2 có áp lực cao với khoang 8 áp lực bình thường Khí 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

Hình 4.1 Sơ đồ thi công tunnel ứng dụng khí nén kết hợp khiên

thủ công và bán 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 — cổng trục; 11 - giếng đứng; 12 — máy nén khí

II Công nghệ đào kín bằng tổ hợp khiên

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị thi công tuyến ngầm thì 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 trong địa tầng Bên trong vỏ khiên này là cả một tổ hợp xây 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 được dịch là “máy thông hầm tấm phẳng”), phía sau mâm dao là khoang che chống gương đào, đoạn giữa của khiên được lắp các kích đẩy 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 tunnel 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)

1 Tổ hợp khiên thường (non pressure 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

2 Tổ hợp khiên giữ gương đào bằng đất EPB: 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

3 Tổ hợp khiên giữ gương đào bằng dung dịch betonite SPB: 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 gương 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

4 Tổ hợp khiên hỗn hợp Mix 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 phương án trên các cụm của tổ hợp có thể thay đổi tuỳ thuộc vào yêu cầu giữ gương 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.

§ 4.2 Khiên và tổ hợp khiên

I 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 tunnel; theo phương pháp bảo vệ gương đào, theo công nghệ đào lò và theo tiết diện mặt cắt ngang của tunnel đào v.v…

* 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 đào lò thủ công;

+ Khiên đào lò bán thủ công;

+ Tổ hợp khiên đào lò cơ giới hoá 100%

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 thông v.v…

* Theo phương án chống sạt lở gương đào các tổ hợp khiên đào lò được

* 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 TBM;

+ 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.

* Ngoài ra khiên đào lò còn được phân loại theo các dấu hiệu khác như:

1 Theo diện tích mặt cắt tunnel đào: Khiên loại nhỏ (đường kính nhỏ hơn

3,2 m), khiên loại trung bình (đường kính nhỏ hơn 5,2 m) và loại lớn (đường kính lớn hơn 5,2 m) 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

2 Theo lĩnh vực ứng dụng đào lò các khiên đào lò được chia thành các

nhóm sau:

- Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất ngập nước;

- Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất thể hạt có độ ẩm bình

Trên thực tế có các loại khiên và tổ hợp khiên sau:

• Khiên thủ công;

• 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

II Ưu-nhược điểm của khiên đào lò

1 Ưu điểm

a Dưới sự che chống của khiên có thể đào và xây vỏ một cách an toàn

b 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

c Quá trình thi công không ảnh hưởng đến giao thông và công trình trên mặt đất cũng như giao thông thuỷ

d Trong thi công không bị ảnh hưởng bởi thời tiết

e Trong thi công không gây tiếng ồn và chấn động, không gây ô nhiễm môi trường xung quanh

f Xây dựng trong đường hầm dài trong vùng đất mềm yếu ngậm nước, hoặc ở dưới sâu luôn có tính ưu việt về mặt 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 ngầm, xây dựng đường hầm dưới đáy sông, trong thành phố (xây dựng metro) và các loại công trình hạ tầng đô thị khác

2 Nhược 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 chế 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 khăn Đường hầm dưới đáy nước nếu gặp lớp phủ quá nông thi công sẽ không an toàn Khi thi công bằng khiên nếu dùng phương pháp khí áp suất cao 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 công bằng khiên rất khó tránh lún trong lớp đất phía trên, nhất là chỗ tầng đất mềm yếu lại có nước, khi lắp vỏ hầm phải chú ý phun vữa vào 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 phương pháp đào hở vì với lớp đất phủ nhỏ cùng với điều kiện địa chất không

ổn định sẽ dẫn tới hiện tượng sạt lở đất bề mặt (hình 4.1) Nếu vì lý do đặc biệt bắt buộc phải thi 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 Air- pressure balance

Tuy nhiên, giá thành một tổ hợp máy TBM là không rẻ, theo tính toán nếu chiều dài của tuyến ngầm nhỏ hơn 750 m thì sử dụng tổ hợp khiên đào ngầm không hiệu quả về 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 chuyển máy giữa các công trình gặp nhiều khó khăn do phải tháo rời và kích thước máy quá lớn

III Phạm vi ứng dụng của khiên và tổ hợp khiên đào lò

Phương pháp thi công kín bằng khiên đã được ứng dụng trong xây dựng công trình ngầm hạ tầng kỹ thuật ở các đô thị như: đường ngầm thoát nước, đường cáp điện lực, viễn thông…mà không cần 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 4.2)

Phương pháp thi công bằng khiên và tổ hợp khiên dùng để đào các tuyến ngầm đi qua các vùng núi đá thay cho phương pháp khoan nổ mìn để xây dựng tunnel dẫn nước cho các nhà máy thuỷ điện, các tuyến ngầm giao thông đường sắt, đường bộ v.v…

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 thông đường sắt đô thị (metro), các tuyến giao thông đường bộ đường sắt xuyên qua sông, eo biển và cả những vùng đất sình lầy

Hình 4.1 Hiện tượng sạt lở đất khi thi công bằng khiên có độ sâu không đủ lớn:

1 - vỏ khiên;1 , - khoảng không gian phía sau mâm dao cắt; 2 - khoảng không gian phía sau vỏ tunnel sau lắp ráp phải được ép đầy vữa; 3 - vỏ tunnel sau lắp ráp; 4 – mâm dao cắt; 4 / - đất phía trước mâm dao bị sạt lở; 5 – kích thuỷ lực (lúc đầu 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

Hình 4.2 Sơ đồ bố trí thiết bị trong công nghệ thi công tunnel mặt cắt nhỏ

Microtunnelling

Trong tổng số đường hầm ngầm thi công bằng phương pháp khiên ở các nước khoảng 70% được xây dựng cho dẫn nước, 30% dùng cho Mêtrô và đường ô tô Hiện nay đường hầm ngầm dưới đáy sông được xây dựng bằng phương pháp khiên ở trên thế giới đã có hơn 20 tuyến, và sự nghiệp phát triển giao thông đường bộ, đường hầm ngầm ô tô dưới đáy sông được xây dựng bằng phương pháp khiên ở các nước sẽ ngày một tăng lên

Tại Việt nam - cụ thể là TP 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

IV Các hãng chế tạo tổ hợp khiên đào ngầm nổi tiếng trên thế giới hiện nay được biết đến với những tên tuổi sau đây:

6 Mitsubishi Hevy Industries - Nhật bản

§ 4.3.KHIÊN ĐÀO LÒ THỦ CÔNG VÀ BÁN THỦ CÔNG

I Khiên đào lò thủ công

Những khiên đào lò đầu tiên là những khiên đào lò thủ công, chúng đơn giản chỉ là những kết cấu kim loại di động có mặt cắt khác nhau với nhiệm vụ chính là chống sạt lở vách và gương đào Đất đá được đào bằng xẻng, choòng v.v…, sau này người ta dùng các búa chèn để đào và đưa đất ra ngoài qua tunnel đã xây dựng bằng các goòng chạy trên ray hoặc đẩy bằng sức người.Khiên đào bằng thủ công là hình thức cơ bản nhất và đơn giản nhất của khiên, phần lớn chúng được dùng để đào các tuyến ngầm không dài lắm và trong tầng đất cơ bản có thể tự ổn định được Chủ yếu là 5 bộ phận gộp lại

gồm: khiên, cơ cấu đẩy, cơ cấu lắp ráp và các thiết bị phụ thuộc khác (hình 4.4).

Khiên thường là hình tròn do các tấm thép hàn lại do ba bộ phận tạo thành: vòng miệng cắt, thân khiên và đuôi khiên (hình 4.3)

Hình 4.3 Kết cấu vỏ khiên thủ công:

1- vòng miệng cắt ; 2- thân khiên; 3- đuôi khiên; 4- sườn gia cố dọc; 5- Sườn gia cố hình vòng

- Vòng miệng cắt: Vòng miệng cắt là bộ phận phía trước của khiên có lắp lưỡi dao (hình 4.4), khi thi công thì cắt và tiến vào trong đất Lưỡi dao làm bằng thép cứng chịu được mài mòn có sườn tăng cường và được chế tạo hình vát,

do đó giảm được lực cản khi tiến vào lòng đất Trong địa tầng ổn định chiều dài vòng miệng cắt phía trên và phía dưới bằng nhau, tức là vòng miệng cắt dạng trụ tròn Khi đào tuyến ngầm với đất tự ổn định kém thì bộ phận trên của vòng cắt dài hơn bộ phận dưới, bộ phận dài trên đó được gọi là mái che, để che chắn cho công nhân được an toàn khi đào đất Có loại khiên được trang bộ phận trên dạng thụt-thò có kích điều khiển có thể đua dài ra đằng trước, để tăng thêm mái che chắn.

- Thân khiên: Thân khiên là bộ phận giữa của khiên là bộ phận chịu lực chủ yếu của khiên Thân khiên có cấu tạo gồm vỏ ngoài, sườn gia cố hình vòng

và sườn gia cố hướng dọc hàn lại với nhau Sườn gia cố hình vòng được hàn

ở hai đầu vòng che chống, sườn gia cố hướng dọc được hàn giữa các sườn gia cố hình vòng Các kích vít của khiên sẽ được bố trí trong khoang này với một đầu ghép với sườn gia cố hình vòng đầu sau, đầu còn lại chống vào đốt vỏ

bê tông cốt thép đã thi công ở giai đoạn trước để đẩy vỏ khiên tiến lên sâu vào lòng đất Để tăng thêm độ cứng, trong khoang này người ta hàn các tấm ngăn đứng và tấm ngăn ngang.Trên tấm ngăn ngang người ta bố trí sàn công tác cho công nhân đứng trên đó để đào đất

Hình 4.4 Sơ đồ bố trí thiết bị thi công đào kín bằng khiên thủ

công:

1 - lưỡi dao làm bằng thép cứng chịu

- Các tấm ngăn đứng; 3 - sườn gia

cố hình vòng phía trước; 4 – thân khiên; 5 – đuôi khiên; 6 – gioăng chống thấm (mầu đỏ); 7 - vữa chống

co ngót được ép vào sau khi lắp vỏ lò

ngang làm sàn thi công cho thợ làm

vòng sau

- Đuôi khiên :Đuôi khiên nằm ở bộ phận sau của khiên, là sự kéo dài của

vỏ ngoài của vòng che chống có trang bị gioăng 6 (hình 4.4) ở mặt trong Gioăng này luôn ép chặt vào mặt ngoài của vỏ tunnel 8/ Tác dụng của nó là bịt kín chu vi vỏ hầm đề phòng nước ngầm và vật liệu vữa lọt vào trong hầm Đuôi khiên đồng thời cũng là nơi tiến hành lắp ráp vỏ hầm, bơm vữa xử lý lỗ hổng sau lưng vỏ hầm sau lắp ráp Vỏ ngoài của đuôi khiên được chế tạo bằng các thép tấm mỏng cường độ cao, nhằm giảm thiểu khe hở mà khiên để lại sau khi tiến lên phía trước

Để đẩy khiên di chuyển về phía trước người ta dùng các kích vít có chân

đế tỳ vào phần vỏ tunnel mới lắp dựng 8/ và đẩy khiên di chuyển về phía trước thông qua sườn gia cố hình vòng sau 9/ Hiện nay người ta sử dụng kích thuỷ lực thay cho kích vít để đạt hiệu quả cao hơn và việc sử dụng kích thuỷ lực trong công nghệ đào hầm bằng khiên đã tạo ra một cú hích đáng kể để tăng năng suất đào lò Kích thuỷ lực công suất lớn đến nay vẫn là nhưng cụm máy chính trong các tổ hợp khiên đào tunnel hiện đại

II Khiên đào lò bán thủ công

Khiên đào lò bán thủ công được chia làm hai nhóm chính là khiên đào lò bán thủ công loại thường và khiên đào lò bán thủ công dùng để đào tunnel cho vùng đất cát khô chảy ít nước ngầm

1 Khiên đào lò bán thủ công loại thường

Hình 4.5 Tổ hợp khiên đào lò bán thủ công loại thường:

1 - vỏ khiên; 2 - khoảng không gian phía sau vỏ tunnel sau lắp ráp phải được ép đầy vữa; 3 -

vỏ tunnel sau lắp ráp; 4 – gương đào; 5 – kích thuỷ lực (lúc đầu là kích vít); 6 - thiết bị lắp ráp các đoạn vỏ lò; 7 – băng tải đất đá; 8 – toa goòng chở đất bánh sắt; 9 – tấm vỏ tunnel chưa lắp

Khái niệm: Trong tổ hợp khiên đào lò bán thủ công đất được thợ đào

bằng cuốc, xẻng, choòng kết hợp với các loại máy khoan cầm tay (sau này là máy khoan cầm tay và máy khoan có cột chống), các công tác còn lại do máy

móc thực hiện (hình 4.5) được gọi là khiên đào lò bán thủ công loại thường

Cấu tạo: Trên hình 4.5 khoang 4 dành cho thợ lò đào đất; đất rơi xuống dưới được máy xúc lật đổ vào toa goòng để đưa ra ngoài Trong dây chuyền có máy lắp ráp vỏ tunnel, ngoài ra còn có các thiết bị phụ trợ khác

2 Khiên đào lò bán thủ công dùng để đào tunnel cho vùng đất cát khô

dễ sạt và không có nước ngầm

Khiên đào lò bán thủ công loại thường khi đào vào đoạn đất cát chảy, khô không có nước ngầm thì cát sẽ sạt lở xuống không kiểm soát được Để giải quyết tình trạng đó người ta trang bị cho phần đầu của tổ hợp khiên đào lò bán thủ công với vách chống sạt có cấu tạo từ những tấm đỡ ngang và chéo, nghiêng và thẳng đứng, hướng cho cát sạt chảy theo định hướng có kiểm soát Thiết bị loại này được gọi là khiên đào lò bán thủ công loại đào đất cát khô không nước ngầm

Hình 4.6 Khiên đào lò loại bán cơ giới dùng để đào hầm trong vùng đất cát khô

ít nước:

1 – vòng tựa; 2 – vòng miệng cắt; 3 - tấm chắn đứng; 4 – tấm trượt; 5 - tấm chắn ngang; 6 - hệ thống thuỷ lực; 7 - xilanh thuỷ lực điều khiển giữ gương đào; 8 - tấm ốp; 9 - vỏ khiên;

10 – xilanh thuỷ lực khiên; 11 – ngõng chống vào vỏ bêtông

Trên hình 4.6 trình bày cấu tạo khiên đào lò loại bán cơ giới dùng để đào tunnel trong vùng cát khô không có nước Cấu tạo và hoạt động của nó như sau: vòng miệng cắt 2, vòng tựa gia cường 1, vỏ khiên 9 với tấm ốp 8 tăng khả năng chịu tải được hàn tạo thanh một kết cấu thép có dạng hình trụ tròn vững chắc Phía trong kết cấu trụ tròn này người ta lắp ráp các đoạn vỏ tunnel hình trụ tròn áp sát vào vỏ thép Toàn bộ kết cấu này tiến về phía trước nhờ các kích thuỷ lực 10 mà ngõng tựa 11 trên cần của nó tỳ vào vòng vỏ bê tông cuối cùng

đã lắp ráp Sau đó cần của các xilanh thuỷ lực 10 được rút lại và người ta lại lắp tiếp một đoạn vỏ bê tông tunnel bên trong ống khiên để ngõng tựa 11 tỳ vào

để đẩy khiên đi tiếp Các tấm chắn ngang, nghiêng và dọc tạo thành các ô cho cát chảy và được điều khiển bởi các xilanh thuỷ lực 7

Trên tấm chắn ngang 5 có các tấm trượt 4 thò ra - thụt vào để khống chế cát chảy tuỳ thuộc vào góc chảy tự nhiên của đất mà điều chỉnh, các tấm này trượt ra - vào nhờ các xi lanh thuỷ lực

Công tác bốc xúc cát, vận chuyển, thi công lắp ráp vỏ lò phía sau thường là được cơ giới hoá hoàn toàn Khi mặt cắt ngang của tunnel nhỏ thì phải sử dụng các khiên đào lò bán cơ giới loại nhỏ và việc bốc đất cát vào goòng được thực hiện theo cách thủ công

§ 4.4.Tổ hợp khiên đào lò cơ giới loại thường (không có khoang cân bằng

áp lực - Soft Ground Non Pressurized)

Tổ hợp mà trong đó công tác thi công từ khâu đào đất tới hoàn chỉnh tuyến ngầm được cơ giới hoá hoàn toàn được gọi tổ hợp khiên đào lò cơ giới

cơ giới hoá hoàn toàn Tổ hợp khiên đào lò cơ giới cơ giới hoá hoàn toàn có rất nhiều loại và mỗi loại phù hợp với từng điều kiện địa chất cụ thể Dưới đây ta xét loại tổ hợp khiên đào lò loại thường, tức là nó chỉ dùng cho đất mềm đất có khả năng tự ổn định và không hoặc rất ít nước ngầm

Trên hình 4.7 là sơ đồ cấu tạo và bố trí thiết bị của tổ hợp khiên đào tunnel không có khoang giữ gương đào Mâm dao 1 quay để cắt đất và tiến lên phía trước Các cơ cấu dẫn động nằm trong khiên 2 Thiết bị bốc xúc đất cát là vít tải 3 đổ vào thiết bị vận tải 5 Một máy lắp ráp dùng để lắp ráp vỏ lò Máy lắp ráp và vít tải nằm trong đuôi khiên còn máy vận tải thì được nối dài trong lòng tuyến tunnel

– khiên; 3 - băng tải để đưa đất ra khỏi khiên; 4 - thiết bị lát (lắp ráp) vỏ tunnel; 5 - thiết bị vận

tải

Trong tổ hợp khiên đào lò cơ giới hoá hoàn toàn loại thường(hình 4.8)

phía trước khiên 1 là mâm dao 4 quay để đào đất, máy bốc xúc đất dạng tải gạt

7 để đưa đất ra khỏi khiên đổ vào goòng bánh sắt Phía sau của khiên được bố trí máy ráp vỏ tunnel 6 và các thiết bị khác

Một số tổ hợp khiên đào lò cơ giới hoá hoàn toàn được trang bị các máy cào vơ để cào đất lên lên máng cào, sau đó đổ vào các toa goòng bánh sắt

Trong tổ hợp khiên đào lò cơ giới hoá hoàn toàn cơ cấu bốc xúc đất đá đôi khi còn được trang bị các cơ cấu phụ để thực hiện một số các chức năng khác.

Hình 4.8 Sơ đồ cấu tạo và phương án bố trí thiết bị trong tổ hợp khiên đào lò

cơ giới hoá hoàn toàn loại thường không có khoang cân bằng áp lực:

sau vỏ tunnel sau lắp ráp phải được ép đầy vữa; 3 - vỏ tunnel sau lắp ráp; 4 – mâm dao cắt;

5 – kích thuỷ lực (lúc đầu là kích vít); 6 – máy lắp ráp vỏ tunnel; 7 – băng tải đất đá;

8 – goòng chở đất bánh sắt; 9 – các cấu kiện vỏ tunnel chưa lắp ráp

§ 4.5.Tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng đất- “Earth

pressure balance EPB

I Cấu tạo chung của tổ hợp khiên đào tunnel EPB

Hình 4.9 Sơ đồ cấu tạo và bố trí thiết bị trong tổ hợp khiên đào tunnel giữ

gương đào bằng áp lực đất EPB:

tuy-nen sau lắp ráp phải được ép đầy vữa; 3 - vỏ tuy-tuy-nen sau lắp ráp; 4 – mâm dao cắt; 5 –

goòng chở đất bánh sắt; 9 – các miếng vỏ tunnel chưa lắp

lực; 6 - vít tải; 7 - máy lắp ráp vỏ tunnel; 8 – vỏ tunnel bằng bê tông cốt thép hoặc gang

xám

Hình 4.10 Mô hình cấu tạo bên trong tổ hợp khiên đào với khoang cân bằng áp

lực gương đào bằng đất - EPB (Hãng Herrenknecht, CH LB Đức):

1 – mâm dao; 2 - khoang chứa môtơ thuỷ lực đồng thời là khoang kín áp suất cao cân bằng áp lực chống sạt gương đào; 3 - vách ngăn kín không để không khí thấm qua; 4- xi lanh thuỷ lực

đẩy khiên; 5 – vít tải; 6 - máy lắp ráp vỏ tunnel; 7 - vỏ tunnel sau lắp ráp

Thiết bị công tác chủ đạo Mâm dao cắt 4 (Hình 4.9 a) được dẫn động

bởi 3 môtơ thuỷ lực công suất lớn quay quanh đường tâm của tổ hợp, các xilanh (kích) thuỷ lực tựa vào khung máy kích đẩy để thay đổi hướng di chuyển cắt đất của mâm dao tạo thành đường tunnel cong, các xilanh thuỷ lực 5 đẩy