Đường hầm thi cơng theo phương pháp khiên đào đầu tiên do ơng Marc Isambard Brunel phát triển để đào đường hầm qua sơng Thames bắt đầu vào năm 1825 (mặc dù vậy đến năm 1943 đường hầm mới được mở). Brunel được cho là đã lấy cảm hứng từ hình ảnh con hà Teredo navalis, một lồi động vật thân mềm rất cĩ hiệu quả trong việc đào ăn qua gỗ chìm trong nước mà ơng ta quan sát được khi làm việc tại xưởng đĩng tàu. Khiên đào do Maudslay, Sons & Field, của Lambeth, London chế tạo, cũng là người đã chế tạo ra máy bơm hơi nước để thốt nước đường hầm.
Hình 5.1 Khiên bản quyền của Brunel (1860)
Brunel lần đầu tiên dùng kết cấu chắn này trên cơng trình đường hầm ở sơng Thames Luân Đơn. Cỗ máy khiên hình chữ nhật cĩ diện tích 11.3(m)x6.7(m) và được hợp thành bởi 12 khung giá tiếp giáp nhau. Mỗi khung giá cĩ 3 khoang, mỗi khoang bên trong cĩ một cơng nhân điều khiển. Như vậy tất cả cĩ 36 cơng nhân. Cơng trình hầm dưới sơng khởi cơng năm 1825 trong thi cơng gặp rất nhiều khĩ khăn sau khi trải qua 5 lần lũ đặc biệt lớn đến năm 1843 mới hồn thành.
Trong thời gian đầu của phương pháp khiên, khiên đào cĩ chức năng bảo vệ cho các lao động thủ cơng làm cơng tác đào hầm, dần dần phát triển thay thế bằng
các đốt tường hầm chế tạo sẵn. Khiên đào cũng đã được chia thành các mặt thi cơng với các phần chồng lên nhau để mỗi cơng nhân cĩ thể đào một cách thuận tiện nhất.
Hình 5.2 Phương pháp khiên đào áp dụng cho hầm qua sơng Thames (Anh)
Thiết kế ban đầu của Brunel về căn bản đã được Peter W. Barlow cải tiến trong quá trình thi cơng đường ngầm Tower dưới sơng Thames ở trung tâm London năm 1870. Cĩ lẽ cải tiến quan trọng nhất mang tính quyết định trong thiết kế của Barlow là nĩ cĩ tiết diện hình trịn (khơng giống như của Brunel cĩ tiết diện hình chữ nhật) làm cho việc thi cơng đơn giản hơn và cĩ khả năng chống đỡ tốt hơn trọng lượng đất xung quanh.
Năm 1869, cơng trình sư Janes Heary Grethead dùng kết cấu khiên hình trịn lại một lần nữa xây dựng đường hầm dưới lịng sơng Thames, lớp vỏ hầm lần đầu tiên dùng ống gang. Chiều dài đường hầm dài 402m, đường kính ngồi 2.18m, đường hầm về cơ bản đào trong vùng đất sét. Cho nên về mặt khống chế nước ngầm khơng gặp khĩ khăn gì, kết cấu khiên ống trịn trở thành dạng hình phổ biến cho các khiên sau này.
Năm 1874, Greathead phát hiện trong tầng địa chất cĩ tính thẩm thấu mạnh rất khĩ sử dụng khí nén đỡ bề mặt của đường hầm, do đĩ lại sử dụng kết cấu chắn cĩ
thể lỏng chống đỡ bề mặt làm việc của hầm. Dùng dịng chảy lỏng với hình thức vữa bùn để thải đất.
Hình 5.3 Kết cấu khiên dùng vữa của Greathead
Năm 1886, Greathead khi thi cơng đường ngầm ở Luân Đơn đã sử dụng kết hợp giải pháp khí nén với kết cấu khiên đào. Thi cơng trong điều kiện khí nén đã làm nên một tiến bộ to lớn trong việc đào đường hầm trong tầng chịu áp lực nước, đã lấp được lỗ hỗng trong thi cơng hầm trên phạm vi thế giới số lượng sử dụng phương pháp đào bằng kết cấu khiên tăng lên nhanh chĩng.
Thiết kế của Barlow đã được James Henry Greathead mở rộng và cải tiến thêm để xây dựng City & South London railway (ngày nay là một phần của tuyến đường ngầm phía Bắc London) vào năm 1884. Cho tới ngày nay, hầu hết các khiên đào vẫn dựa theo khiên của Greathead một cách chặt chẽ.
Một tiến bộ kỹ thuật khác của phương pháp khiên sau khi Brunel phát minh là đã dùng máy mĩc đào thay cho nhân cơng. Bản quyền khiên về cơ giới hĩa đầu tiên được cơng nhận năm 1876 cho John Dickinson Bruton và George Brunton người Anh. Cỗ máy khiên này cĩ mâm dao xoay hình nửa quả cầu do một số tấm tạo thành, đất đào ra rơi vào trong gầu hướng tâm trên mâm dao. Gầu đưa vật liệu vào băng chuyền chuyển về phía sau khiên rồi vận chuyển đi.
Năm 1896, Price xin đăng ký bản quyền. Năm 1897, cỗ máy này đã được sử dụng thành cơng ở tầng đất sét Luân Đơn, lần đầu tiên nĩ tổ hợp 2 loại kết cấu khiên Greathead và kết cấu khiên mâm dao xoay. Bánh xe cắt được tổ hợp từ 4 cánh
nan hoa trên đĩ cĩ lắp cơng cụ cắt và gọt. Trên bánh cắt cĩ gầu xúc, đất đào ra được nâng lên đổ vào máng xiên và chảy vào xe chở vật liệu chờ sẵn, chuyển lên mặt đất.
Năm 1896, Haag đăng ký bản quyền máy khiên của Đức đầu tiên ở Berlin. Đĩ là cỗ máy khiên dùng vữa để đỡ bề mặt đào hầm và bọc kín buồng đào đất để làm buồng áp lực
Hình 5.4 Kết cấu khiên vữa Haag (1896)
Vào đầu thế kỉ XX, phương pháp thi cơng bằng khiên đã được đẩy mạnh ở các nước Mĩ, Anh, Đức, Liên Xơ, Pháp. Chỉ trong thập kỉ 30-40 tại các nước ấy đã dùng khiên xây dựng nhiều tuyến đường hầm Metro, đường hầm ơ tơ qua sơng với đường kính từ 3.0-9.5m.
Năm 1960, Schneidereit đề ra dùng vữa sét bentonite để đỡ bề mặt cơng tác. Năm 1963, lần đầu tiên cơng ty Sato Kogyo Nhật Bản đã phát minh ra khiên cân bằng áp lực đất.
Lúc bấy giờ cơng ty Sato Kogyo đang tìm phương pháp đào hầm trong lớp đất mềm xốp dưới mực nước ngầm. Do máy đào khiên khí nén và dung dịch vữa đã sử dụng thành cơng ở Nhật Bản, việc phát minh ra khiên cân bằng áp lực đất làm người ta rất kinh ngạc. Phát minh ra khiên cân bằng áp lực đất là vì ở Nhật Bản trong nhiều thành phố lớn cĩ quy định và pháp luật nghiêm ngặt đối với mơi trường. Cho đến nay kỹ thuật đường hầm khiên đào được phát triển vượt bậc ở Nhật Bản và Nhật Bản đã chế tạo hơn 2000 cỗ máy khiên đào và trình độ kỹ thuật hầm khiên đứng vào hàng đầu thế giới.
Năm 1984, Thượng hải chế tạo khiên đường kính 11.32m xây dựng thành cơng đường ơ tơ ngầm dưới đáy sơng phía Đơng đường Hồng Phố Giang – Diên An.
Tháng 5-1987 cơng trình đường hầm eo biển Anh – Pháp khởi cơng, cự ly tim hai hầm đường sắt là 30m, đường kính trong hầm là 7.6m, đường kính trong của đường hầm bổ trợ trung gian là 4.8m. Đường hầm xuyên qua chỗ hẹp nhất của eo biển. Cự ly giữa phía bắc núi Castle của vùng Folkestone nước Anh đến Coquelles của Pháp là 50.5km cĩ gần 37km đường hầm hồn tồn nằm dưới đáy eo biển.
Mặt cắt ngang đường hầm qua eo biển Anh-Pháp
Thi cơng tuyến đường hầm này đã dùng tổng cộng 11 máy khiên. Bên phía Pháp dùng 5, Anh dùng 6 cỗ máy. Sai số của khiên đào đường hầm phụ trợ chỉ cĩ 350mm (chiều ngang) và 60mm (chiều đứng). Cơng trình đường hầm này hồn thành vào giữa năm 1991.
Năm 1987, cơng trình đường hầm cáp điện vượt sơng tại ga phía Nam thành phố Thượng Hải, sử dụng thành cơng cỗ máy khiên cân bằng áp lực đất dạng vữa áp lực đường kính 4.35m lần đầu tiên do Trung Quốc sản xuất.
Năm 1989, cơng trình đường hầm dùng khiên dung dịch vữa lớn nhất của Nhật Bản khởi cơng, đường hầm đáy eo biển Tokyo dài 9.1km là đường hầm đáy biển chuyên dụng đường bộ dài nhất thế giới, thi cơng dùng 8 cỗ khiên kiểu dung dịch vữa áp lực. Đến cuối tháng 10-1996, đã thơng đường hầm.
Năm 1992, Nhật Bản nghiên cứu chế tạo khiên đầu tiên trên thế giới kiểu vữa áp lực 3 đầu và sử dụng thành cơng trong thi cơng cơng trình nhà ga tuyến số 7 đường sắt ngầm dài 107m ở thành phố Osaka. Tháng 11 trong năm hồn thành và sử dụng.
Tháng 11-2001, đường hầm lớn nhất thế giới Groene Hart bắt đầu đào, là nhánh của đường sắt cao tốc Lu than – A-mi-cithan : nĩ xuyên qua một vùng thiên nhiên xanh, lưới sơng ngịi dày đặc, xe cộ qua lại nhộn nhịp, tổng chiều dài là 7156.018m, đường kính ngồi là 14.3m, đường kính trong là 13.3m, bề dày tấm vỏ hầm 0.6m. Dùng khiên cân bằng vữa sét đường kính 14.87m thi cơng, đây là cỗ máy lớn nhất trong lịch sử. Tài liệu ghi chép tiến độ thi cơng : ngày tốt nhất là 22m, tuần tốt nhất (7 ngày) là 118m, liên tục tốt nhất là 4 tuần với 438m.
Bảng 5.1Một sốđường hầm xây dựng trên thế giới bằng phương pháp khiên đào
Tên đường hầm
Đường
kính
D (m)
Chiều
dài LM
(m)
Độ
nhanh
nhạy
LM/D
Trọng
lượng
G1
(T)
Số kích
của
khiên
(chiếc)
Tổng lực
đẩy của
khiên
(KN)
Bề dày
vỏ
khiên
(mm)
Hầm Vehicular(Hà Lan) 9,17 5,73 0,63 400 30 60.000 70
Hầm Brooklyn Battery (Mỹ) 9,63 4,71 0,49 315 28 56.000 63
Hầm Queens Midrown (Mỹ) 9,65 5,70 0,59 28 64.000
Hầm Ahtwerpen (Bỉ) 9,50 5,50 0,576 275 32 67.000 70
Hầm Mêtrơ (Maxcơva) 9,5 4,73 0,50 340 36 80.000
Hầm Đả Phố Lộ
(Thượng Hải) 10,20 6,63 0,65 400 40 88.000 Hầm Diên An Đơng Lộ
(Thượng Hải) 11,26 7,80 0,69 480 40
5.2.2 Cấu tạo, phân loại khiên đào
5.2.2.1Cấu tạo của khiên :
Cĩ rất nhiều chủng loại khiên, xét về cơng năng của khiên trong thi cơng thì cấu tạo cơ bản như sau :
Hình 5.6Sơ đồ cấu tạo cơ bản của khiên
(1) động cơ điện dùng cho mâm dao, (2) vít tải, (3) động cơ điện dùng cho vít tải, (4) băng chuyền, (5) kích của van, (6) máy lắp tấm ống hầm, (7) giá đỡ mâm dao, (8) tấm
ngăn cách, (9) cửa ra vào khẩn cấp
v Vỏ khiên: gồm 3 bộ phận :
Ø Vành miệng cắt : là bộ phận đào và chặn đất, nằm ở đầu mút phía trước khiên, khi thi cơng, đầu tiên cắt chui vào đất và yểm hộ cho cơng tác đào. Một phần vành miệng cắt tại phía trước cĩ gắn miệng lưỡi để giảm bớt rung động địa tầng khi khoan. Vành miệng cắt đảm bảo sự ổn định của bề mặt cơng tác và làm đường thơng cho đất cát sau khi được khoan đào vận chuyển ra phía sau. Do đĩ khi dùng khiên kiểu đào cơ giới, áp lực đất, dung dịch vữa áp lực, cần căn cứ vào trạng thái đất, cát đào ra mà định.
Trong khiên cĩ khí nén cục bộ, dung dịch vữa áp lực, cân bằng áp lực đất, do áp lực trong miệng cắt cao hơn áp lực thơng thường trong hầm. Cho nên ở vành miệng cắt cịn cần đặt bản ngăn kín và cửa ván ra vào cho người.
Hình 5.7 Vành miệng cắt
Ø Vịng đỡ : là kết cấu chủ thể của khiên, là giá đỡ cho tồn bộ tải trọng tác dụng lên khiên. Nĩ gắn sát với vịng miệng cắt, nằm ở phần giữa của khiên thơng thường là kết cấu hình trịn cĩ độ cứng rất tốt. Áp lực địa tầng, tồn bộ phản lực của kích và lực cản miệng cắt tiến vào đất mặt trước, tải trọng lắp ráp vỏ hầm đều do vịng đỡ chịu đựng. Phía ngồi vịng đỡ cĩ lắp kích khiên, khoảng giữa cĩ lắp đặt máy lắp ráp và thiết bị thủy lực, thiết bị động lực, sàn thao tác điều khiển. Khi áp lực vịng miệng cắt lớn lhơn áp lực bình thường, trong vịng đỡ cần bố trí khoang người đi tăng, giảm áp.
Ø Đuơi khiên : thường cấu thành bởi tấm thép vỏ ngồi khiên kéo dài, chủ yếu dùng để bảo vệ cho cơng tác lắp ghép các tấm vỏ hầm. Cuối đoạn đuơi khiên cĩ trang bị làm kín, để ngăn nước, đất và vật liệu bơm vào trong khiên từ khoảng giữa của đuơi khiên và vỏ hầm. Khi trang bị làm kín đuơi khiên bị hư hỏng hoặc mất tác dụng trong lúc đang thi cơng cần phải thỏa mãn các hạng mục cơng việc nĩi trên.
Hình 5.8Thiết bị bịt kín sau đuơi khiên
1. Phiến ống vỏ hầm; 2. Đuơi khiên; 3. Tấm thép; 4. Cao su tổng hợp; 5. Cao su cloropren; 6. Keo bọt; 7. Cao su ammonium
4
5
1 2 3
Hình 5.9 Thiết bị bịt kín 3 cấp sau đuơi khiên
1. Đuơi khiên; 2. Bịt kín bắng bàn chải thép; 3. Tấm thép; 4. Cao su nhân tạo; 5. Tấm phịng hộ.
v Cơ cấu đẩy tiến khiên :
Động lực đẩy tiến của khiên khi đào dựa vào cơ cấu đẩy tiến được tạo thành bởi hệ thống thủy lực dẫn động nhiều kích cùng làm việc.
v Máy lắp ghép tấm ống :
Máy lắp ghép tấm ống thường dùng thủy lực làm động lực, để cĩ lắp ghép tấm ống vỏ hầm vào vị trí cần thiết một cách an tồn, nhanh chĩng, máy lắp ghép sau khi đã kẹp lấy tấm ống lên cịn phải cĩ khả năng đưa ra kéo vào theo đường kính, dịch ngang trước sau và quay 360o
.
v Bộđảm bảo độ trịn :
Khi khiên tiến về phía trước, ống vỏ hầm thốt ra khỏi đuơi kiên, dưới tác dụng của tự trọng và áp lực đất sẽ sinh ra biến dạng. Khi lượng biến dạng này rất lớn thì phần ống đã ghép xong và phần ống đang lắp ghép sẽ sinh ra cao thấp
khác nhau làm cho việc lắp bulơng hướng dọc sẽ khĩ khăn. Để khắc phục hiện
tượng ống ghép cĩ cao độ khơng bằng nhau, cần phải làm cho ống ghép đảm bảo
độ trịn, thiết bị làm việc này là bộ đảm bảo độ trịn. Phía trên và dưới cĩ giá đỡ
hình vịng cung, giá này trên dầm rút ra khỏi thân xe động lực là cĩ thể trượt
được. Khi một vành ống ghép xong thì đưa bộ đảm bảo độ trịn đến chỗ đĩ, kích
trên cột đỡ sẽ làm cho mặt cung của giá đỡ ép sát vào mặt tấm ống, sau đĩ khiên
cĩ thể tiến về phía trước. Sau khi khiên tiến lên, dưới tác dụng của bộ đảm bảo
độ trịn, vành trịn khơng dễ sinh ra biến dạng mà đảm bảo trạng thái trịn.
Hình 5.10Máy lắp ráp hình vành trịn
1. Mâm quay; 2. Bánh quay che chống; 3. Cánh tay co duỗi hướng đường kính; 4. Cánh tay co duỗi dọc hướng; 5. Cánh tay nâng; 6. Mĩc cẩu; 7. Khối cân bằng
Hình 5.11Máy hình trịn xoay
1. Tấm chắn đỉnh hình quạt; 2. Cánh tay chống đỡ; 3. Kích co duỗi; 4. Giá đỡ; 5. Kích trượt hướng dọc
5.2.2.2Phân loại khiên :
Cĩ rất nhiều chủng loại khiên thích ứng với các loại địa chất khác nhau. Dựa vào đặc điểm cấu tạo và phương pháp đào, cĩ thể qui nạp thành 4 loại sau :
v Loại A : khiên dạng miệng thống hoặc gọi là khiên phổ thơng
• Đỡ tồn bộ hoặc một phần mặt chính diện, đào bằng nhân lực hoặc gầu thuận, gầu nghịch
• Mặt chính diện cĩ mâm dao cắt gọt đất hoặc đá mềm.
v Loại B : khiên dạng kín ngực phổ thơng hoặc gọi là khiên ép phổ thơng
• Tồn bộ tấm ngực mặt chính bọc kín, ép đẩy tiến, cĩ để diện tích miệng lỗ cho đất vào cĩ thể chỉnh được, ép đẩy tiến cục bộ.
• Thêm ơ lưới chính diện phủ tấm che tồn bộ hoặc một phần, hoặc lắp cửa điều chỉnh diện tích đào ép, ép một phần đẩy tiến.
v Loại C : khiên kín ngực dạng cơ giới.
• Trong khoang đĩng kín mặt chính diện tăng áp mâm dao cắt gọt đất : gọi là khiên khí nén một phần.
• Trong khoang bọc kín mặt chính diện lắp trang bị vữa sét hoặc trang bị cân bằng dạng áp lực đất thêm vữa, gọi là khiên cân bằng áp lực đất hoặc khiên cân bằng áp áp lực đất thêm vữa. Gần đây, lại xuất hiện các chủng loại khiên cơ giới hĩa : khiên hình chữ nhật, khiên nối khớp, khiên hai ống, khiên phức hợp, ...
v Loại D : khiên TBM
Máy đào hầm (Tunnel Boring Machine - TBM) dùng trong tầng đá cứng (qu>50MPa) chia làm 2 kiểu : kiểu mở và kiểu bọc kín, phần cắt gọt chính diện của khiên là mâm dao phức hợp gồm : mâm dao lớn và các dao lăn.
Bảng 5.2Bảng phân loại khiên áp dụng trong các địa tầng thích ứng Phương thức đào Loại cấu tạo Tên của khiên Biện pháp ổn định mặt đào Địa tầng thích ứng Ghi chú khiên phổ thơng kích che chống bằng tấm chắn tạm thời địa tầng ổn định hoặc mềm yếu đều được khiên cĩ mái che chia mặt đào ra mấy lớp lợi dụng gĩc nghỉ của cát và ma sát mái che đất cát ngực trần khiên cĩ lưới ơ vuơng lợi dụng ma sát giữa đất và lưới ơ vuơng cứng bùn sét với sự hỗ trợ của khí nén, hạ
