Máy đào khiên dung dịch vữa thích hợp với địa chất bề mặt hầm cĩ thể được đỡ bằng dung dịch vữa áp lực, cĩ thể ứng phĩ cĩ hiệu quả với các loại địa tầng khĩ khăn và khống chế độ lún sụt của bề mặt đất. Đất đào ra dưới dạng nước bùn được chuyển ra ngồi bằng đường ống, cịn đá cuội sau khi bị nghiền được chuyển đi bằng đường ống hoặc được đưa đi trong quá trình chảy trong ống.
Áp lực của nước ngầm và áp lực địa tầng ở khoang áp lực cắt gọt sẽ bị triệt tiêu bởi áp lực dung dịch vữa, và áp lực mật độ trọng lực dung dịch vữa.
Ø Phạm vi địa tầng thích hợp :
Xe khiên kiểu cân bằng dung dịch thích hợp với địa tầng đất bùn sét mềm yếu, địa tầng đất loại cát rời rạc, tầng đất sỏi sạn, địa tầng đất cát lẫn sỏi cuội, sỏi cuội và các tầng đất cứng, ... đặc biệt thích hợp với thi cơng đường hầm xuyên đáy biển, xuyên đáy sơng phía trên đất cĩ nhiều nước, đặc biệt thích hợp với đất cĩ hàm lượng nước cao, ở điều kiện mơi trường thi cơng khắc nghiệt của thành phố và cĩ nước ngầm nhất là địa tầng đất cát cĩ áp lực nước cao,... điều kiện thi cơng khĩ khăn, thì cũng cĩ thể dùng phương pháp cơng nghệ này để thi cơng. Phương pháp cơng nghệ xe khiên dung dịch bùn được xem là thích hợp với các loại địa tầng trừ nền đá cứng. Địa chất thích hợp với thi cơng dùng xe khiên dung dịch bùn cĩ :
- Trên đường hầm cĩ sơng, hồ, biển, ... địa tầng cĩ rất nhiều nước. - Đất loại sét, đất loại cát, đất bột, ... địa tầng cấu tạo bởi nhiều lớp đất. - Tầng cát cĩ mạch nước và các tầng đất rời rạc khác nhau.
- Địa tầng cĩ áp lực nước cao và địa tầng chịu áp lực nước cao.
- Địa tầng cĩ đường kính hạt sỏi cuội khơng lớn nhưng khối lượng nhiều.
Ø Nguyên lý cơng tác :
Thơng qua khoang kín cĩ trang bị bản ngăn ở phía trước vịng gối, bơm vào dung dịch bùn cĩ áp lực thích hợp làm cho tại bề mặt đào đất hình thành màng bùn đất, đỡ khối đất phía trước. Đĩa dao lớn lắp ở mặt trước cào bĩc khối đất ở mặt ngồi màng bùn. Hỗn hợp bùn nước hình thành dung dịch bùn cĩ tỷ trọng cao, dùng ống dẫn và bơm hút đưa dung dịch lên mặt đất xử lý. Tồn bộ quá trình được thống nhất quản lý bởi hệ thống tự động khống chế cân bằng dung dịch bùn đặt trong phịng khống chế trung ương ở trên mặt đất. Máy đẩy xe khiên cĩ đặt các bước thao tác, giữa các bước thao tác lắp đặt các khĩa liên hệ, hạn chế sự cố do thao tác sai lầm gây ra, thi cơng an tồn tin cậy.
5.2.4 Các phương pháp mới thi cơng bằng khiên đào
5.2.4.1Phương pháp khiên đa mặt MF (Multi Face) :
Khiên MF là phần giao nhau của nhiều mặt cắt hình trịn trùng hợp tạo thành, cĩ thể đồng thời đào nhiều mặt cắt trịn bằng phương pháp khiên. Diện tích cĩ hiệu của đường hầm so với mặt cắt một hình trịn diện tích đào phải lớn đây là dạng mặt cắt hợp lý và kinh tế.
Hai hoặc nhiều mặt cắt hình trịn to nhỏ khơng giống nhau thơng qua sự trùng hợp theo qui tắc nhất định cĩ thể cho ta hình thức mặt cắt bất kỳ của đường hầm, trong qui hoạch tuyến hầm, càng cĩ tính linh hoạt trong lựa chọn hình thức tuyến. Trong trường hợp bị hạn chế khơng gian trên và dưới, cĩ thể lựa chọn sự trùng hợp theo hướng ngang. Phương pháp khiên MF càng thích hợp với ga tầu điện ngầm, mương rãnh chung và bãi đỗ xe ngầm,... những nơi mặt cắt đào của đường hầm lớn.
v Đặc điểm :
Hình thức kết cấu chủ yếu của đường hầm phương pháp khiên MF là hình trịn cho nên cĩ duy trì được đặc tính lực học của mặt cắt hình trịn.
Đường hầm cĩ thể do nhiều mặt cắt hình trịn nhỏ chập lại mà thành nên lượng đào nhỏ, hiệu suất sử dụng mặt cắt lớn.
Khi qui hoạch tuyến hầm, việc chọn tuyến cĩ càng nhiều tính linh hoạt, cĩ thể căn cứ nhu cầu mà chọn MF hướng ngang hay MF hướng đứng, càng thích hợp với việc xây dựng đường hầm trong trường hợp khơng gian dưới đất bị hạn chế.
Căn cứ tình hình địa chất và điều kiện thi cơng và nhu cầu ảnh hưởng đối với mơi trường xung quanh mà áp dụng khiên nước bùn hoặc khiên áp lực đất.
Khiên do nhiều mặt cắt hình trịn độc lập tạo thành, cho nên căn cứ điều kiện địa chất khác nhau mà tiến hành quản lý đào đất khác nhau.
Thơng qua điều chỉnh tốc độ và hướng quay của mâm dao lợi dụng phản lực tác dụng lên khiên khi tiến đào để khống chế cĩ hiệu quả tư thế của khiên và cân chỉnh cũng tương đối dễ dàng.
Hình 5.20 Khiên MF
Hình 5.21Đường hầm Kyobashi
Khiên cĩ chiều rộng là 17.3m và chiều cao là 7.8m dùng để thi cơng nhà ga Osaka Business Park thuộc hệ thống xe điện ngầm của thành phố Osaka.
Hình 5.22 Nhà ga Osaka Business Park
5.2.4.2Phương pháp khiên nhiều trục lệch tâm DPLEX (Developing Parallel Link
EXcavating shield Method)
Dùng nhiều trục chính, trên đĩ cố định vuơng gĩc với trục chính là một nhĩm trục biên cong, trên biên cong cĩ lắp giá dao : quay trục chính thì giá dao trên cùng mặt phẳng cũng quay theo một cung trịn, mặt đào cĩ hình dạng mặt cắt gần giống hình dạng giá dao.
Do đĩ cĩ thể căn cứ yêu cầu hình dạng mặt cắt đường hầm mà thiết kế giá dao là hình chữ nhật, hình trịn, hình vành trịn, hình bầu dục hoặc hình mĩng ngựa.
v Đặc điểm :
Cĩ thể căn cứ nhu cầu lựa chọn hình dạng giá dao để đào đường hầm cĩ mặt cắt hình dạng bất kỳ. Vì dùng nhiều trục chuyển động đồng thời kéo theo giá dao nên bộ phận đào của khiên cĩ đặc điểm nhỏ gọn, dễ tháo lắp, dễ vận chuyển thích hợp với việc đào đường hầm mặt cắt lớn.
Bộ phận động lực của giá dao nhỏ, khi đào đất khơng gian thao tác bên trong khiên tương đối lớn, cĩ thể căn cứ nhu cầu lắp thêm thiết bị cải tạo đất cần đào ở bất kỳ mặt cắt nào của đường hầm, thích hợp với nơi bán kính đường cong nhỏ, khe hở đường hầm nhỏ, điều kiện thi cơng kém.
Dùng lưỡi dao chéo hình chữ thập, lưỡi dao này cĩ cạnh gĩc trước sau như nhau, cho nên cĩ thể đào theo tất cả phương vị.
Hình 5.24 Khiên DPLEX hình chữ nhật 3.98x4.38m
5.2.4.3Phương pháp khiên mặt cắt tự do
Trên mặt ngồi của mâm dao chính của một khiên bình thường mặt cắt hình trịn cĩ lắp một số mâm dao qui mơ nhỏ gọi là mâm dao vệ tinh. Mâm dao chủ quay, mâm dao vệ tinh vừa tự quay vừa quay theo mâm dao chủ, quỹ đạo của mâm dao vệ tinh được quyết định bởi gĩc lắp cánh tay mâm dao.
Thơng qua việc điều chỉnh tay biên dẻ quạt của mâm dao vệ tinh ta cĩ thể đào được đường hầm cĩ tiết diện khác hình trịn như là hình chữ nhật, hình bầu dục, hình mĩng ngựa, hình quả trứng, ... Loại khiên này phù hợp với điều kiện khơng gian dưới đất bị hạn chế.
Hình 5.26Cấu tạo chung khiên mặt cắt tự do
Cĩ thể căn cứ mục đích sử dụng khác nhau mà lựa chọn phù hợp tiết diện khác nhau, ví dụ : mương rãnh chung cho đường ống dẫn dây điện, ... chọn mặt cắt chữ nhật, đường ơtơ, đường sắt thì mặt cắt đường hầm chọn hình mĩng ngựa, ...
Hình 5.28 Khiên mặt cắt tự do
5.2.4.4Phương pháp khiên hình cầu
Khiên hình cầu là lợi dụng đặc điểm cĩ thể quay tự do của bản thân khối cầu, đem khối cầu đặt vào bên trong của khiên chính đi trước, bên trong khối cầu lại thiết kế một khiên tiếp sau. Khiên đi trước hồn thành phần đào trước xong, lợi dụng khối cầu quay, thay đổi hướng tiến và tiến hành đào tiếp đường hầm. Sau khi thay đổi hướng, việc duy tu và thay mới lưỡi dao máy đào rất dễ dàng.
Khiên hình cầu đào liên tục kiểu dọc – ngang :
Khiên hình cầu đào liên tục kiểu dọc ngang là một loại máy đào của loại khiên đặc biệt vừa đào giếng cơng tác theo hướng thẳng đứng và đào đường hầm theo hướng nằm ngang. Trong khiên chính theo hướng dọc, lắp đặt trước một quả cầu cĩ thể quay được rồi trong quả cầu lại lắp một khiên cĩ chiều dài tương đối nhỏ để chuyên đào đường hầm theo hướng ngang. Trong khiên hướng dọc cĩ động cơ làm cho khối cầu tự quay được, mâm dao chính của khiên hướng ngang kiêm luơn việc đào giếng cơng tác theo hướng dọc. Cĩ nghĩa là chỉ cần lắp một lưỡi dao dạng vành khăn bên mặt ngồi của mâm dao chính là cĩ thể dùng cùng một bộ thiết bị đào theo 2 tính năng và khoảng khơng dưới đất với kích thước khác nhau. Khiên hình cầu dọc ngang cĩ chung nguồn động cơ, dùng kích thủy lực cĩ thể làm cho thanh kéo thị ra thụt vào được. Sau khi kết thúc việc đào giếng cơng tác theo hướng dọc, vành dao phía ngồi rời khỏi mâm dao chính và nằm lại trong đất.
v Đặc điểm :
Vì đường hầm đào bằng khiên nĩi trên là đào liên tục, do đĩ khơng cần phải xem xét các vấn đề về gia cố đất tại cửa ra vào hoặc vấn đề thấm nước, nâng cao được tốc độ và tính an tồn trong thi cơng, cĩ tác dụng tích cực rút ngắn thời gian thi cơng. Thi cơng giếng cơng tác theo hướng dọc ảnh hưởng đến mơi trường xung quanh, ảnh hưởng đến độ lún của nền mĩng so với các phương pháp khác nhỏ hơn.
Duy tu thay thế lưỡi dao trong quá trình đào đường hầm rất tiện lợi, đặc biệt thích hợp với việc đào đường hầm dài.
Khiên hình cầu đào liên tục kiểu ngang – ngang :
Nguyên lý đào của khiên loại này cơ bản cũng giống nguyên lý của khiên hình cầu đào liên tục kiểu dọc - ngang. Khiên chính đi trước và khiên thứ hai tiếp theo chỉ cĩ thể tiến hành đào vuơng gĩc trên cùng một mặt bằng. Ở các ngã tư giao thơng chật chội và dưới độ sâu nhất định cĩ các đường ống ngầm chạy qua, khơng thể đào giếng cơng tác theo hướng dọc được, cĩ thể sử dụng phương pháp thi cơng này.
Khiên hình cầu đào cự ly dài
Mâm dao đặt trong hình cầu và động cơ của nĩ sau khi cùng hình cầu trong máy đào của khiên cùng quay, sẽ tiến hành cơng việc thay thế và sửa chữa lưỡi dao. Cơng việc phức tạp này khơng bị thời gian và địa điểm hạn chế mà sẽ được tiến hành trong đường hầm đã được đào xong, dưới áp suất khơng khí bình thường.
Hình 5.32Khiên hình cầu đào cự ly dài cĩ đường kính 9.45m
Khiên đào kiểu ngang- ngang cĩ đường kính 3.93m, loại cân bằng dung dịch bùn.
Cơng trình : đường cống thốt nước Shimoji ở Nhật.
5.2.4.5Phương pháp khiên MSD (Mechanical Shield Docking)
Phương pháp khiên MSD là một phương pháp thi cơng khiên kết hợp ở dưới đất bằng đầu nối cơ khí. Chế tạo một đơi khiên, một là khiên phát xạ, cịn một là khiên tiếp thu. Hai khiên lần lượt từ 2 bên tự tiến đến vị trí dự định rồi ngừng đào. Các khiên đều mang mâm dao đào kéo tới bên ngồi vách khiên, khiên phát xạ đem ống vách bằng thép trong khiên đẩy ra để cắm vào khiên tiếp thu làm cho hai khiên ở dưới đất nối lại với nhau. Sau khi đấu nối dùng thép bản hàn mặt trong của ống vách thép liên kết 2 khiên thành khối. Sau khi tháo dỡ vỏ thép của khiên sẽ tiến hành bơm vữa bêtơng áo hầm.
v Đặc điểm :
Khơng bị hạn chế bởi giao thơng trên mặt đất và điều kiện thi cơng dưới đáy biển, cĩ thể tùy ý chọn điểm đấu nối dưới đất.
Ống vách thép hình trịn của khiên phát xạ, sau khi cắm vào khiên tiếp thu, áp lực của đất và nước ở bên ngồi đều do ống vách thép chịu, các đầu mối tháo, lắp khiên đều được cách ly với đất bên ngồi, thi cơng, tác nghiệp thực sự an tồn, độ tin cậy cao.
Hầu như khơng phát sinh hiện tượng nền mĩng bị lún xuống hoặc phồng lên, ảnh hưởng tới sinh hoạt hàng ngày của cư dân và giao thơng khơng đáng kể.
Khơng cần đào giếng cơng tác, cơng nghệ đơn giản, thời gian thi cơng ngắn, chi phí thấp.
Khiên phát xạ Khiên tiếp thu
Hình 5.34 Khiên MSD cĩ đường kính 4.1m, tổng chiều dài 1515m (707m + 808m), loại khiên dung dịch bùn.
5.2.4.6Phương pháp khiên MMST (Multi Micro Shield Tunnel)
Là do nhiều khiên đơn đào thành các đơn nguyên cơ bản của tường ngồi. Các khiên đơn này được nối với nhau bằng bêtơng cốt thép. Trong khiên đơn (tấm ống vỏ thép) đổ bêtơng cốt thép thành tường vây quanh đường hầm. Sau đĩ tiến hành đào bên trong tường vây, cuối cùng hình thành đường hầm cĩ tiết diện lớn.
v Đặc điểm :
So với đào trần : phương pháp này khơng cần cấu trúc hố mĩng, khơng cần chiếm khơng gian trên mặt đất, ít ảnh hưởng đến giao thơng trên mặt đất và mơi trường xung quanh.
So với khiên mặt cắt một hình trịn, hình thức mặt cắt hợp lý, kinh tế, cĩ thể thu hẹp phạm vi thi cơng. Do dùng cách đào nhiều mặt cắt nhỏ, nên giảm chiều sâu đất phủ và qui mơ giếng cơng tác.
Phần ngăn cách giữa các khiên đơn cĩ thể dùng mối nối nối lại, do đĩ cĩ thể thay đổi kích thước mặt cắt đường hầm thơng qua việc điều chỉnh khoảng cách mối nối, thích hợp với trường hợp đường hầm cĩ nhiều nhánh cĩ mặt cắt khác nhau.
Việc đào tường đường hầm do các khiên đơn đào nên khối lượng đất đào và đất thải ra khá ít. Phần đào đất bên trong đường hầm cĩ thể dùng bằng tay. Mặt cắt ngang đường đào cĩ thể là hình chữ nhật, khoảng cách giữa chúng nhỏ nên khi thi cơng yêu cầu độ chính xác cao.
Hình 5.35 Khiên MMST 5.2.4.7Phương pháp khiên bọt khí
Khiên bọt khí là một phương pháp thi cơng vừa đẩy khiên tiến vừa tiến hành bơm vào mặt đào hoặc vào khoang cân bằng áp lực đất một loại vật liệu bọt khí được pha chế sẵn. Nĩ cĩ tác dụng làm tăng tính lưu động của đất, ngăn nước tốt và chống đất dính vào khoang chứa của khiên vì nĩ cĩ độ trơn nhất định. Do đĩ,
phương pháp khiên bọt khí cĩ ưu điểm lớn nhất là đảm bảo độ ổnh định vách đào, giảm độ lún mặt đất, đặc biệt thích hợp với việc đào vào địa tầng cát rời và cát cuội. Bọt khí sau khi đi theo đất đào ra ngồi, rất dễ bị bốc hơi, khơng cần phải xử lý đặc biệt, đất vẫn cĩ thể phục hồi đặc tính nguyên dạng.
Hình 5.36 Khiên bọt khí
v Đặc điểm :
Tính lưu động cao: bọt khí cĩ độ trơn, cĩ tác dụng tăng tính lưu động của đất đào, cĩ thể phịng tránh hiệu quả trường hợp đất sét cứng dính chặt vào bản mặt khiên hoặc khoang chứa.
Áp lực đất tại mặt đào biến động ít : vì bọt khí cĩ tính nén ép, cĩ thể giảm thiểu phạm vi biến động của áp lực đất tại mặt đào.
Cĩ tính năng ngăn nước tương đối tốt. Bọt khí sau khi bơm vào, bọt khí nhỏ li ti thế chỗ của nước ở khe hở giữa các hạt đất, cải thiện tính ngăn nước của đất đào.