Khi sử dụng máy khiên đào, chống tạm và chống cố định (kết cấu công trình ngầm - vỏ chống) đ-ợc thực hiện d-ới sự bảo vệ của khiên chống. Trong thực tế xây dựng hầm bằng khiên đào sử dụng hai loại vỏ: vỏ lắp ghép từ các cấu kiện đúc sẵn và vỏ bê tông liền khối thi công tại chỗ bằng bê tông ép.
Ngoài việc làm chức năng chống đỡ khối đất xung quanh đ-ờng hầm, chống thấm, vỏ chống còn đóng vai trò làm chỗ tựa (t-ờng phản áp) của kích đẩy khi di chuyển đầu máy khiên đào. Liên kết chặt chẽ giữa khối đất và vỏ chống đ-ợc tạo ra nhờ nén ép liên tục vật liệu liên kết và chống thấm vào khe hở giữa vỏ chống và khối đất phía đuôi khiên, trừ tr-ờng hợp áp dụng hệ thống vỏ chống nén căng vào khối đất.
Trong thực tế còn có thể lắp dựng lớp vỏ thứ hai bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép phía trong tùy thuộc vào mục đích sử dụng của công trình.
1. Vỏ lắp ghép
Vì nhiều lý do, vỏ lắp ghép đ-ợc sử dụng rộng rãi, chúng đ-ợc chế tạo từ BTCT, thép hoặc gang. Các tấm kết cấu đúc sẵn liên kết với nhau tạo thành một vòng vỏ chống. Trong 1 vòng vỏ chống th-ờng có 3 loại cấu kiện khác nhau (về hình dạng, kích th-ớc): A (cấu kiện cơ bản), B (cấu kiện sát khối khóa) và khối khóa K (key block). Việc lắp ráp mỗi vòng kết thúc bằng việc lắp khối khóa (key block). Số l-ợng các tấm trong một vòng th-ờng dao động từ 5 đến 8. Trong hầm đ-ờng sắt, tr-ớc đây th-ờng dùng kiểu 6 tấm còn hiện nay chủ yếu dùng kiểu 8 tấm. Trong đ-ờng hầm dẫn n-ớc sạch, thoát n-ớc bẩn, dẫn cáp điện th-ờng sử dụng kiểu 5 tấm.
Sử dụng vỏ lắp ghép cho phép tăng tốc độ thi công do tính cơ giới hóa cao song nó hạn chế tại những đoạn hầm cong.
Tại những đoạn cong, có thể sử dụng các tấm vỏ chống có cạnh bên vát một phía hoặc 2 phía.
Kích th-ớc tấm: có chiều dài tới 2,2m và chiều rộng từ 0,6m đến 2m và đ-ợc sử dụng trong các điều kiện địa chất công trình bất kỳ. Theo thống kê, chiều rộng tấm vỏ chống bằng thép th-ờng có kích th-ớc 750mm-1200mm, chiều rộng tấm vỏ chống bằng bê tông th-ờng có kích th-ớc 900mm-1200mm. Tấm có kích th-ớc càng lớn thì số l-ợng mối nối trong vỏ chống càng giảm, khả năng chống thấm n-ớc tăng lên. Trong những năm gần đây chủ yếu sử dụng tấm vỏ chống có chiều rộng 1m.
Chiều dầy của tấm đ-ợc xác định theo kích th-ớc mặt cắt ngang đ-ờng hầm, điều kiện tải trọng, mục đích sử dụng của đ-ờng hầm và khả năng làm việc của vỏ chống. Theo thống kê, chiều dầy vỏ hầm lắp ghép th-ờng bằng khoảng 4% đ-ờng kính ngoài đ-ờng hầm. Với đ-ờng hầm lớn, đặc biệt khi dùng vỏ bê tông có s-ờn tăng cứng, tỷ lệ này vào khoảng 5%.
Để đảm bảo khả năng truyền lực tốt trong vỏ chống, các tấm vỏ chống phải đ-ợc chế tạo có độ chính xác cao. Sai số theo mối nối dọc không v-ợt quá 0,3- 1mm và sai số chiều dầy không v-ợt quá 2mm.
Để lựa chọn loại vỏ chống thích hợp cần chú ý tới mục đích sử dụng của đ-ờng hầm, điều kiện khối đất nền và ph-ơng pháp thi công. Mỗi loại vỏ chống làm bằng các loại vật liệu bê tông, thép và gang đều có những đặc điểm riêng:
- Vỏ lắp ghép bằng bê tông có độ cứng t-ơng đối lớn và khả năng chịu nén tốt, bền vững và có tính chống thấm qua vỏ chống cao nếu đ-ợc chế tạo và lắp dựng tốt. Tuy nhiên vỏ bê tôn có nh-ợc điểm, các gờ cạnh của chúng dễ bị phá hủy trong quá trình tháo khuôn, vận chuyển và lắp dựng Sử dụng bê tông cốt sợi thép (ví dụ: 30kg sợi thép/1m3 bê tông) sẽ làm tăng khả năng chịu tải của tấm vỏ chống, giảm khả năng bong tróc tại mép. Trong thực tế, cốt sợi thép th-ờng đ-ợc kết hợp sử dụng với cốt thép thanh để gia c-ờng cho các tấm vỏ chống.
- So với vỏ bê tông, vỏ thép có chiều dày nhỏ hơn, tính đồng nhất về vật liệu cao hơn, độ bền cao hơn và dễ dàng liên kết bằng hàn. Tuy nhiên, chúng dễ bị biến dạng do đó cần chú ý khả năng phá hủy do kết cấu bị nén oằn do chịu lực nén đuôi kích hoặc áp lực phụt vữa lấp đầy quá lớn. Ngoài ra cần chú ý tới giải pháp chống ăn mòn trong tr-ờng hợp không có lớp vỏ chống thứ 2 phía trong.
- Trong thời gian gần đây, vỏ lắp ghép bằng gang đang ngày càng đ-ợc sử dụng rộng rãi. Ưu điểm của chúng là khả năng chịu kéo tốt cho phép chịu đ-ợc mô men uốn và trọng l-ợng giảm từ 30-40% so với vỏ bê tông cốt thép, ngoài ra chúng chiếm phần không gian nhỏ hơn trong CTN và khả năng chống thấm tại
các vị trí mối nối tốt hơn, tốc độ ăn mòn thấp (0,4mm/năm). Tuy nhiên chúng có nh-ợc điểm là giá thành cao hơn so với các loại vỏ chống khác.
Hiện nay, vỏ bằng bê tông và thép đ-ợc quy chuẩn hóa về kích th-ớc nh- đ-ờng kính, chiều cao, chiều rộng đã đ-ợc sử dụng rộng rãi trong đ-ờng hầm tiết diện nhỏ và trung bình nh- hầm dẫn n-ớc sạch, thoát n-ớc, đ-ờng ống kỹ thuật cấp điện, thông tin liên lạc. Đối với hầm tiết diện lớn nh- hầm đ-ờng sắt, chủ yếu sử dụng vỏ bê tông lắp ghép.
Lớp vỏ chống thứ 2 bên trong th-ờng là bê tông liền khối đổ tại chỗ th-ờng có chiều dầy từ 15-30cm. Gần đây có thêm loại vỏ chống bên trong bằng ống kín (kích đẩy) làm bằng vật liệu thép, gang, v.v… Khoảng hở giữa 2 lớp vỏ chống sẽ đ-ợc lấp đầy bằng bê tông.
Nếu nh- lớp vỏ chống thứ nhất đóng vai trò là lớp chịu tải chính thì lớp vỏ chống thứ 2 bên trong đóng vai trò là lớp bảo vệ chống ăn mòn, tăng bền cho vỏ chống đ-ờng hầm, điều chỉnh h-ớng tuyến đ-ờng hầm, chống thấm, hoàn thiện bề mặt đ-ờng hầm. Trong hầm đ-ờng sắt, lớp vỏ chống thứ 2 còn đóng vai trò chống ồn, chống rung. Tuy nhiên, trong thực tế cũng có những tr-ờng hợp lớp vỏ thứ 2 bên trong đóng vai trò là lớp chịu lực chính hoặc kết hợp cùng chịu lực với lớp vỏ thứ nhất bên ngoài.
Theo hình dạng cấu tạo của tấm có thể phân chia kết cấu vỏ lắp ghép thành dạng khối hay chu bin. Chu bin chế tạo từ gang hay BTCT chúng có cạnh tròn hoặc phẳng và có s-ờn trung gian tăng cứng. Khi lắp ghép sẽ vặn bu lông qua các lỗ trên các cạnh. Khối đ-ợc chế tạo từ BTCT th-ờng có dạng vuông (tấm phẳng).
Các khối có thể đ-ợc lắp không có bu lông và không có liên kết tại các khe nối giữa các phân tố trong vành, liên kết giữa các khối bằng liên kết mộng hoặc bản lề hình cầu. Do không tồn tại liên kế bu lông đã giúp giảm khối l-ợng công việc và thời gian lắp đặt vỏ hầm. Do các tấm vỏ trong vành gây lực nén tác động lên nhau và do đó giúp tự giữ ổn định vị trí sau khi lắp ghép nên thậm chí không cần liên kết chúng với nhau. Tuy nhiên, trong thời gian lắp dựng vẫn cần thiết phải sử dụng bulông để liên kết chúng. Nếu lực đẩy ngang quá lớp, các vòng vỏ chống có thể bị tr-ợt t-ơng đối so với các vòng còn lại. Để hạn chế hiện t-ợng này, trong quá trình lắp đặt có thể sử dụng các nêm chèn mỏng bằng gỗ đặt vào khe nối dọc giữa các vòng vỏ chống. Chống thấm cho vỏ chống nhờ vào các tấm đệm đặt tại vị trí mối nối giữa các tấm. Các tấm đệm này luôn bị nén nên tạo khả
năng kín n-ớc rất tốt. Các tấm đệm đ-ợc đặt trong các khe tạo ra trong mép của các tấm.
Khi dùng khối kiểu tấm phẳng th-ờng sử dụng bu lông liên kết giữa các tấm trong một vòng và giữa các vòng với nhau. Mối nối dạng phẳng với sai số do độ nhám d-ới 1mm đã đ-ợc sử dụng thành công trong thực tế trong khi các dạng mối nối dạng có rãnh hoặc gờ liên kết đã cho thấy rất dễ bị phá hủy. Bu lông liên kết các tấm tại vị trí trục trung hòa để tránh chịu mômen uốn gây phá hủy liên kết.
Hình : Cấu tạo chi tiết tấm vỏ hầm dạng khối
Hình: Cấu tạo vỏ hầm lắp ghép
Yêu cầu kín n-ớc tại của lớp vỏ hầm đ-ợc xác định phụ thuộc vào mục đích sử dụng của đ-ờng hầm. Trong tr-ờng hợp cho phép có thể thiết kế hệ thống
thoát n-ớc qua lớp vỏ hầm, ng-ợc lại bắt buộc phải thiết kế lớp vỏ chống kín n-ớc tuyệt đối.
Trong thực tế có thể sử dụng kết cấu vỏ hầm 2 lớp, lớp ngoài bằng vỏ lắp ghép từ các cấu kiện đúc sẵn để đảm bảo khả năng chịu tải tốt ngay sau khi lắp dựng, lớp trong là vỏ bê tông liền khói đổ tại chỗ, ở giữa 2 lớp có thể có hoặc không có lớp mang chống thấm.
Với đ-ờng hầm nằm phía d-ới mực n-ớc ngầm, tại vị trí khe nối (dọc và theo chu vi) giữa các tấm vỏ phải sử dụng 1 hoặc 2 tấm đệm.
Nếu chỉ sử dụng 1 tấm đệm thì phải sử dụng thêm biện pháp trám bít tại mép mối nối phía mặt trong vỏ hầm.
Nếu các biện pháp trên vẫn ch-a tạo tính kín n-ớc yêu cầu cho vỏ hầm thì phải áp dụng biện pháp khoan phụt chất urethane (NH2CO.OC2H5) qua các lỗ chờ sẵn trong lớp vỏ hầm. Chất urethane gặp n-ớc sẽ giãn nở tăng khả năng cách n-ớc cho môi tr-ờng đất đá bao quanh.
Tr-ờng hợp, n-ớc ngầm có tính xâm thực đối với vỏ hầm và các kết cấu bên trong đ-ờng hầm thì phải áp dụng giải pháp sử dụng bê tông chống thấm hoặc dùng lớp màng chống thấm phía ngoài lớp vỏ hầm hoặc kết hợp cả 2 biện pháp trên.
Trong hầu hết các tr-ờng hợp, chi phí cho lớp vỏ chống th-ờng đắt hơn rất nhiều so với chi phí cho máy đào (chiếm khoảng 80% giá thành thi công đ-ờng hầm) nên cần phải đ-ợc tính toán, thiết kế cẩn thận.
Việc lắp ráp vỏ hầm đ-ợc thực hiện nhờ thiết bị lắp ghép vỏ hầm. Công nghệ lắp ráp vỏ hầm bao gồm bốc xếp các phân tố vành vỏ từ các ph-ơng tiện vận chuyển, chuyển chúng tới vị trí thiết bị lắp ráp có thể nhận đ-ợc, liên kết giữ chúng và đ-a tới vị trí cần đặt trong vòng.
Việc lắp ráp các phân tố vành vỏ đ-ợc thực hiện d-ới sự bảo vệ của vỏ khiên đào và sau b-ớc chuyển dịch tiếp theo của nó cho một b-ớc mới. Đóng b-ớc nghịch của các kích thuỷ lực, giải phóng chỗ để lắp đặt vòng mới. Các phân tố vành vỏ đ-ợc vận chuyển trên các giá chuyên dùng chạy trên đ-ờng ray hẹp gọi là giá xe chở chu bin hay khối và cả xe ôtô. Tuỳ thuộc vào ph-ơng tiện vận chuyển và công nghệ lắp ghép, đôi khi các phân tố vành vỏ đ-ợc chuyển tới vị trí lắp ghép bằng móc cẩu chạy trên ray treo.
Lắp chu bin đ-ợc thực hiện từ d-ới lên trên, bắt đầu từ tấm đáy. Trong đó phải tuân thủ tuyệt đối vị trí của nó theo thiết kế, đặt ốc chống thấm và dùng thiết bị vặn êcu kiểu hơi ép kéo căng êcu. Để làm cho các lỗ bu lông trùng nhau, ngoài phân tố đáy mỗi phân tố còn lại dùng ba chốt tạm vào các lỗ, hai chốt trên biên vòng và một chốt trên biên phẳng. Sau khi giải phóng phân tố vành vỏ khỏi thiết bị lắp ghép, chuẩn bị lắp phân tố mới, chỉ thực hiện khi nào đã vặn chặt phân tố vành vỏ đã lắp tr-ớc. Các chu bin nằm cao hơn đ-ờng kính ngang của khiên cần đ-ợc lắp đặt trên các vách. Cần kiểm tra độ khít và sức căng của các bu lông.
Sau khi lắp đặt phân tố khoá trên cùng cần tiến hành kiểm tra vị trí của vành (tính êlíp của vành), th-ờng đo đ-ờng kính đứng, ngang, hai chéo 450 (sai số cho phép th-ờng tr-ớc khi chuyển dịch g-ơng là 25mm, sau khi chuyển dịch g-ơng là 50mm).
Lắp đặt khối: Có thể sử dụng thiết bị lắp đặt kiểu cánh tay đòn hay kiểu cung tuỳ thuộc loại kết cấu vỏ. Với kiểu cánh tay đòn lắp đặt phân tố theo trình tự từ d-ới lên và cách lắp đặt nh- đã nêu trên. Khi lắp đặt các khối cao hơn đ-ờng kính ngang cần giữ chúng bằng dầm kéo đẩy đặt trên vòm của thiết bị lắp đặt. Các khối th-ờng không có liên kết theo cạnh giữa các vành. Để cho các khối khỏi lệch nhau th-ờng sử dụng thép luồn qua các lỗ đặt tại mép khối. Chuyển dịch t-ơng đối cho phép giữa các khối theo chiều dọc là 10mm , còn theo chiều cong là 15mm.
Lắp đặt các khối kết thúc bằng phân tố khoá đỉnh. Có 3 cách để lắp đặt khói khóa: lắp từ trong ra (theo ph-ơng h-ớng kính), lắp theo ph-ơng dọc trục đ-ờng hầm và kết hợp cả 2 hình thức trên.
Với khối khóa lắp đặt theo ph-ơng h-ớng kính, góc liên kết giữa khối khóa với khối liền kề đ-ợc xác định bằng biểu thức:
w k
r
2
Trong đó w là góc dự trữ cho phép đẩy khối khóa và lấy bằng 2 – 50, góc này càng nhỏ càng tốt. Một số tiêu chuẩn khác lấy bằng 30.
Khi góc liên kết r càng lớn, bề mặt liên kết càng nghiêng gây khó khăn cho việc truyền lực nén dọc trục và cắt trong cấu kiện. Vì vậy, cần phải giảm thiểu góc k. Với đ-ờng hầm đ-ờng kính càng nhỏ, góc liên kết này càng phải tăng do đó cần chú ý đặc biệt.
Với khối khóa lắp đặt theo ph-ơng dọc trục đ-ờng hầm, không có góc nghiêng theo ph-ơng h-ớng kính giữa 2 tấm vỏ chống nh-ng góc vát vủa khối khóa để cho phép lắp đ-ợc nó αl phải đ-ợc xác định trên cơ sở điều kiện thi công bao gồm chiều dài của khiên đào và sự phối hợp giữa liên kết trong 1 vòng và giữa các vòng với nhau. Góc vát này th-ờng dao động trong khoảng 17-240.
Các khối hợp lý hơn cả là lắp đặt bằng ph-ơng pháp nén ép vào đất đá. Thực chất của ph-ơng pháp này là ở chỗ vành khối đ-ợc lắp đặt d-ới sự bảo vệ của vỏ khiên ép chặt vào đất đá, ngay sau khi khiên chuyển dịch sẽ v-ợt ra ngoài phạm vi của vỏ. Sự tiếp xúc chặt chẽ giữa khối và đất đá xung quanh sẽ cho khối vào làm việc ngay cùng với môi tr-ờng đất đá, làm giảm lún bề mặt, không cần bơm vữa sau vỏ. Nó chỉ hợp lý khi tạo đ-ợc biên phẳng, đảm bảo ổn định của đất đá ngoài phạm vi vỏ khi ép nén, hợp lý khi sử dụng khiên cơ giới và trong á cát chặt, á sét chặt hay sét dẻo hay chặt, trong đá yếu.
Ph-ơng thức khác là sử dụng biện pháp kéo ép các tấm vỏ qua ống luồn xuyên qua toàn bộ các tấm.
2. Bê tông ép:
Bê tông ép là một loại vỏ chống đ-ợc lắp dựng ở dạng không có hoặc có sợi thép. Nó đ-ợc nén ép liên tục vào phía sau của máy khiên đào, giữa đuôi khiên và hệ thống cốp pha di động thông qua hệ thống vành tỳ đ-ợc nén ng-ợc với h-ớng di chuyển của khiên nhờ hệ thống kích đuôi khiên (hiện nay kích đuôi