Hình 1.12. Mơ hình MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng khí nén [21] bằng khí nén [21]
1. Máy hút khí 7. Vị trí tập kết ống kích
2. Hệ thống lọc 8. Giếng thi công
3. Máy phát điện 9. Hệ thống kích đẩy 4. Buồng điều khiển 10. Đoạn ống kích
5. Cần trục 11. Máy đào hầm
- 30 -
Nguyên lý hoạt động của MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng khí nén đƣợc đặc trƣng bởi cách vận chuyển đất đá bằng khí nén.
Nguyên lý hoạt động: đất đá đƣợc phá vỡ và nghiền vụn và đƣợc hệ thống hút khí đặt trên mặt đất hút lên trên mặt đất. Hệ thống lọc sẽ lọc đất đá trong quá trình hút để vận chuyển ra bãi thải. Quá trình này diễn ra liên tục đến khi hồn thành chu kỳ một ống kích, máy hút sẽ dừng lại. Tiến hành tháo các ống, cáp điều khiển và trạm kích co lại để lắp đặt đoạn kích tiếp theo. Sau khi lắp đặt xong ống kích, các ống khí, cáp điều khiển sẽ đƣợc nối lại để tiến hành tiếp chu kỳ tiếp theo.
- Ưu nhược điểm của MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng cơ học - khí nén - thủy lực
Bảng 1.1. Bảng tổng hợp ƣu nhƣợc điểm của MĐHLN sử dụng hệ thống vận
chuyển đất đá thải bằng cơ học
Ƣu điểm Nhƣợc điểm
- Hệ thống và vận hành đơn giản; - Thi công hiệu quả, ít tốn kém;
- Sử dụng hiệu quả cho các cơng trình vừa, nhỏ và nơng;
- Ít gặp sự cố.
- Gặp khó khăn hoặc khơng thi cơng đƣợc với cơng trình nằm dƣới mực nƣớc ngầm hoặc đƣờng kính ống kích lớn;
- Khơng thể đào trong đá.
Bảng 1.2. Bảng tổng hợp ƣu nhƣợc điểm của MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng khí nén
Ƣu điểm Nhƣợc điểm
- Đào đƣợc với đƣờng hầm có kích thƣớc lớn, dài;
- Sử dụng đƣợc với những nơi nhiệt độ thấp, có thể nhiệt độ dƣới 0°C.
- Khó khăn trong mơi trƣờng ẩm, dƣới mực nƣớc ngầm;
- Khơng đào đƣợc trong đất dính.
Bảng 1.3. Bảng tổng hợp ƣu nhƣợc điểm của MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng thủy lực
- 31 -
Ƣu điểm Nhƣợc điểm
- Sử dụng đƣợc cho đƣờng hầm có chiều dài và đƣờng kính lớn;
- Đào trong mọi loại đất đá, có thể chọn loại đầu cắt phù hợp với các điều kiện đất đá;
- Có thể đào trong mọi môi trƣờng có nƣớc ngầm hay khơng có nƣớc ngầm;
- Chu trình khép kín, tự động đảm bảo an tồn và vệ sinh nơi thi cơng.
- Hệ thống phức tạp, tốn kém;
- Không hiệu quả khi cơng trình đặt nơng, điều kiện địa chất đất dính.
Nhƣ vậy, MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng thủy lực có tính năng ƣu việt nhất phù hợp với đƣợc nhiều loại đất khác nhau, đặc biệt rất thích hợp cho đất dạng hạt và có thể đào đƣợc trong đá. Hiện nay MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng thủy lực đƣợc sử dụng phổ biến trên thế giới và đáp ứng điều kiện địa chất ở Việt Nam.
c) Điều kiện áp dụng và khả năng áp dụng của máy đào hầm loại nhỏ
* Điều kiện áp dụng
Phƣơng pháp thi công CTN bằng MĐHLN đƣợc áp dụng khi các phƣơng pháp thi cơng khác có chi phí thi cơng lớn hoặc gặp các vấn đề về kỹ thuật, không thể đảm bảo thi công CTN. Phƣơng pháp đƣợc áp dụng trong các trƣờng hợp sau:
- Các điều kiện hiện trƣờng: Phƣơng pháp thi công CTN bằng MĐHLN đƣợc áp dụng khi xây dựng CTN, đƣờng ống ngầm cắt qua các đê, đập, đƣờng sắt, đƣờng đi bộ cũng nhƣ dƣới các khu xây dựng trên mặt đất, sông, suối, hồ hoặc trƣờng hợp hƣớng tuyến của các CTN cắt ngang qua các vùng di tích lịch sử, vùng danh lam thắng cảnh, nếu thi cơng theo kỹ thuật đào hở thì việc khơi phục lại hiện trạng ban đầu của các vùng này sau đó sẽ rất khó
- 32 -
khăn và tốn kém. Bên cạnh đó, việc đào và lấp mặt đƣờng cũng làm giảm tuổi thọ của của áo đƣờng, làm tăng chi phí sửa chữa bảo dƣỡng mặt đƣờng, ngồi ra nó cịn gây khó khăn cho giao thông, sinh hoạt của ngƣời dân sống khu vực xung quanh;
- Sử dụng tại những nơi có điều kiện thi cơng chật hẹp nhƣ các khu đô thị đông dân cƣ;
- Độ sâu đặt CTN: lắp đặt các đƣờng ống ngầm có độ sâu nhỏ, thƣờng sâu hơn 4m. Tuy độ sâu nhỏ nhƣng do điều kiện phía trên khơng thể áp dụng các phƣơng pháp thi cơng lộ thiên;
- Kích thƣớc CTN: về mặt lý thuyết, phƣơng pháp thi công CTN bằng MĐHLN khơng giới hạn về đƣờng kính ống đƣợc sử dụng. Nhƣng hiệu quả và đảm bảo an tồn khi thi cơng chi tiết xem trong bảng 1.4;
Bảng 1.4. Lựa chọn cơng nghệ theo đƣờng kính cơng trình ngầm Cơng nghệ thi cơng Phạm vi đƣờng kính áp dụng
Khoan guồng xoắn (AB) 200-1500mm Khoan định hƣớng (HDD) 50-1200mm Micro Tunneling (MT) 250-4200mm
Kích đẩy (PJ) 1070-4200mm
Đóng ống (PR) 100-1500mm
Máy đào hầm (TBM) Đến 18000mm
Chiều dài thi công CTN (khoảng cách từ giếng thi công đến giếng nhận): phụ thuộc vào khả năng kích và cƣờng độ chịu lực (chịu nén) của vật liệu ống kích. Chiều dài lớn nhất đƣợc xác định dựa vào công suất của thiết bị đào, loại đất nền, chiều sâu đặt CTN, đƣờng kính của CTN. Chiều dài thi công nhỏ nhất đƣợc xác định dựa vào những yếu tố kinh tế của dự án. Chiều dài thi công quá nhỏ sẽ không kinh tế do giá trị đầu tƣ về công nghệ là quá cao. Thông thƣờng chiều dài kích đẩy từ 150m đến 305m;
- 33 -
Mục đích sử dụng: xây dựng các hầm dẫn các loại nhƣ hầm thốt nƣớc, cung cấp khí đốt, cung cấp nƣớc, các tuynel kỹ thuật, cơng trình ngầm giao thông đô thị,... hay các kết cấu hỗ trợ thi công các CTN tiết diện lớn.
* Khả năng áp dụng
Khả năng áp dụng của MĐHLN phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện địa chất, địa chất thủy văn của khu vực thi công CTN. Theo hiệp hội Công nghệ Trenchless của Pháp (2004) qua từng vùng địa chất có thể lựa chọn MĐHLN phù hợp với điều kiện đất đá. Chi tiết xem ở bảng 1.5.
Bảng 1.5. Bảng phân loại khả năng áp dụng của MĐHLN với các loại đất đá [14] Loại máy Lớp sét Lớp cuội Lớp sỏi Lớp cát Lớp bùn MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá bằng thủy lực ** ** ** ** ** MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá bằng cơ học O * ** ** o MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá bằng khí nén O ** ** ** * Trong đó: ** là vùng đất đá MĐHLN sử dụng tốt; * là vùng đất đá MĐHLN có thể sử dụng; O là vùng đất đá MĐHLN không thể đào đƣợc.
* Những tác dụng khi sử dụng máy đào hầm loại nhỏ trong xây dựng cơng trình ngầm
Việc ứng dụng thi cơng CTN bằng MĐHLN ở những cơng trình đã thi cơng trên thế giới cho thấy tác dụng và sự hiệu quả của công nghệ thi công
- 34 -
này, cụ thể:
Phƣơng diện kỹ thuât:
- Đảm bảo đƣợc độ bền vốn có của lớp vỏ cơng trình ngầm; - Hạn chế đƣợc mức tối thiểu việc đào cắt mặt bằng;
- Ít rủi ro về lún;
- Giảm đến tối thiểu việc chỉnh trang lại mặt bằng;
- Bề mặt hoàn thiện bên trong trơn nhẵn tạo ra các đặc tính dịng chảy tốt, rất ít mối nối so với CTN lắp ghép;
- Khơng địi hỏi làm lớp vỏ cơng trình ngầm thứ hai;
- Ngăn chặn đƣợc sự xâm nhập của nƣớc ngầm nhờ dùng các mối nối mềm kín nƣớc;
- Giảm đáng kể về các chi phí xã hội so với cơng nghệ kỹ thuật đào hở ở khu vực đơ thị.
Lơi ích về an tồn:
Sử dụng phƣơng pháp thi cơng CTN bằng MĐHLN với các cơng nghệ thi cơng ln có tính an tồn cao hơn cho con ngƣời so với kỹ thuật đào hở. Nhờ có các ống kích chống đỡ trong suốt q trình thi cơng nên loại bỏ đƣợc các hiện tƣợng sụp lở đất đá trong hầm, hạn chế các biến dạng trên bề mặt.
Lơi ích về môi trƣờng:
Phƣơng pháp thi công CTN bằng MĐHLN mang lại nhiều lợi ích về mơi trƣờng, giảm thiểu khá lớn việc chiếm dụng không gian trên mặt đất so với phƣơng pháp thi cơng đào hở. Nhìn chung, phƣơng pháp thi công giảm đƣợc lƣợng vật liệu đƣa từ nơi khác đến và lƣợng vật liệu cần chuyển đi. Nhờ thế mà giảm bớt số lƣợt xe tải qua lại và ít gây nên xáo động cho mơi trƣờng. Giảm thiểu các tác động ảnh hƣởng đến giao thông và sinh hoạt của ngƣời dân sống khu vực CTN đang xây dựng.
- 35 -
d) Quy trình thi cơng của máy đào hầm loại nhỏ
* Nguyên lý hoạt động của máy đào hầm loại nhỏ
Nguyên lý hoạt động của máy đào hầm loại nhỏ đƣợc mô tả nhƣ sau: Lắp đặt xong hệ thống khung kích, kích đẩy, cáp thơng tin, cáp điều khiển, hệ thống laser, máy đào hầm đƣợc đƣa xuống giếng thi công lắp đặt và chỉnh hƣớng phù hợp. Đầu cắt của MĐHLN áp sát gƣơng thi cơng, xoay trịn và phá vỡ đất đá đồng thời tiến về phía trƣớc nhờ hệ thống kích đẩy tại giếng thi cơng. Đất đá đào thải sẽ đƣợc vận chuyển lên trên mặt đất trong suốt quá trình đào nhờ hệ thống vận chuyển đất đá thải, tập kết vào thùng chứa để chờ vận chuyển ra bãi thải.
Kết cấu chống chịu lực di chuyển trong CTN nhờ hệ thống kích đẩy đặt tại giếng thi cơng, chiều dài của một đoạn ống kích là chiều dài một chu kỳ đào của MĐHLN. Sau khi kích hết một đoạn ống kích, tiến hành kiểm tra tháo dỡ các đƣờng ống vận chuyển, cáp điều khiển,... Cần trục sẽ đƣa ống kích tiếp theo vào trạm kích đẩy, tiến hành nối lại các đƣờng ống và cáp để bắt đầu một chu kỳ kích tiếp theo.
* Quy trình thi cơng của máy đào hầm loại nhỏ
Quy trình thi cơng của MĐHLN có thể đƣợc mơ tả tóm tắt trong 14 bƣớc nhƣ sau:
Bƣớc 1: Xây dựng giếng thi công và giếng nhận. Tiết diện giếng thi cơng thơng thƣờng là hình trịn và có thể là hình hình chữ nhật, đúc sẵn hoặc lắp ghép. Biện pháp thi cơng có thể thực hiện phƣơng pháp hạ giếng, hoặc sử dụng tƣờng trong đất, cọc ván thép;
Bƣớc 2: Lắp đặt các bộ phận khung kích và kích thủy lực, điều chỉnh kích thủy lực cho đúng với tim tuyến và độ dốc tuyến nhƣ thiết kế;
Bƣớc 3: Lắp đặt hệ thống dẫn hƣớng bằng laser (Laser guidance system). Khi hệ thống này hoạt động, các tia laser sẽ xác định các điểm đƣợc
- 36 -
chỉ định theo thiết kế. Trong suốt q trình thao tác kích đẩy ống, cần liên tục kiểm tra sự chính xác của tim trục tuyến đào thực tế dựa vào hệ thống này, các sai lệch cần đƣợc điều chỉnh lập tức;
Bƣớc 4: Lắp đặt thiết bị đào (máy đào hầm) và điều chỉnh thiết bị cho phù hợp với các yêu cầu thiết kế;
Bƣớc 5: Liên kết vịng kích đẩy với máy đào hầm;
Bƣớc 6: Máy đào hầm đƣợc kích đẩy qua vị trí đã chuẩn bị trƣớc tại giếng thi cơng. Bắt đầu quá trình đào và vận chuyển đất đá thải về phía giếng thi cơng để đƣa lên mặt đất. MĐHLN đƣợc kích đẩy về phía trƣớc cho đến khi hồn thành chu kỳ một ống kích;
Bƣớc 7: Co các đầu kích lại tạo ra một khoảng trống để lắp đốt ống, sau đó tháo dỡ các đƣờng ống và dây cáp;
Bƣớc 8: Lắp đặt đốt ống đầu tiên vào rãnh kích đẩy;
Bƣớc 9: Liên kết bản kích đẩy với ống và ống với khiên đào, sau đó kết nối các đƣờng ống và dây cáp;
Bƣớc 10: Kích đẩy ống đầu tiên về phía trƣớc, tiến hành đào, vận chuyển đất thải ra giếng thi công và đƣa lên mặt đất;
Bƣớc 11: Lặp lại chu trình trên, cho đến khi chiều dài đoạn ống đƣợc lắp đặt đúng với yêu cầu thiết kế;
Bƣớc 12: Di chuyển khiên đào ra khỏi giếng nhận;
Bƣớc 13: Thu hồi các thiết bị kích, các hệ thống kích đẩy trung gian và các rãnh kích ra khỏi giếng thi công đẩy;
Bƣớc 14: Dọn dẹp mặt bằng thi cơng theo quy định.
* Quy trình kích đẩy một chu kỳ ống kích
Một chu kỳ kích ống kích qua 08 bƣớc nhƣ sau:
Bƣớc 1: Thiết lập hệ thống cẩu vào ống kích để chuẩn bị cẩu ống kích xuống giếng thi cơng;
- 37 -
Bƣớc 2: Tiến hành cẩu ống kích xuống giếng thi cơng; Bƣớc 3: Lắp đặt ống kích vào hệ thống kích đẩy; Bƣớc 4: Kết nối hệ thống cáp và đƣờng ống; Bƣớc 5: Kích đẩy đƣờng ống; Bƣớc 6: Kết thúc q trình kích đẩy một ống kích; Bƣớc 7: Co hệ thống kích đẩy; Bƣớc 8: Tháo hệ thống cáp và đƣờng ống.
Quá trình này đƣợc lặp lại theo chu kỳ trên cho đến khi MĐHLN thi cơng hồn thành CTN theo thiết kế.
- 38 -
Hình 1.14. Quy trình kích đẩy một chu kỳ ống kích [4]
1.3. Nhận xét chƣơng 1
Chƣơng 1, luận văn giới thiệu về khái niệm, cấu tạo, phân loại cơng trình ngầm; Các biện pháp thi cơng cơng trình ngầm nhƣ:
- Thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ bằng phƣơng pháp thông thƣờng (phƣơng pháp truyền thống);
- 39 -
+ Thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ bằng máy đào hầm TBM, SM:
+ Thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ bằng phƣơng pháp kích đẩy: Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là: “Nghiên cứu lựa chọn máy đào
hầm cùng các phụ kiện đi kèm khi thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ”. Do
đó tác giả đi sâu vào nội dung nghiên cứu thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ bằng phƣơng pháp kích đẩy sử dụng MĐHNN để nêu ra các điều kiện áp dụng và khả năng áp dụng của máy đào hầm loại nhỏ; quy trình thi cơng của máy đào hầm loại nhỏ, ƣu nhƣợc điểm của riêng từng loại MĐHLN. Làm cơ sở đánh giá lựa chọn loại máy để thi cơng phù hợp với từng cơng trình.
Chƣơng 2 Tác giả sẽ khái quát về các sự cố xảy ra khi thi cơng cơng trình
- 40 -
CHƢƠNG 2: CÁC SỰ CỐ KHI THI CƠNG CƠNG TRÌNH NGẦM BẰNG MÁY ĐÀO HẦM LOẠI NHỎ
2.1. Tổng quan các sự cố thi cơng cơng trình ngầm bằng máy đào hầm loại nhỏ
Trong những năm gần đây, kỹ thuật công nghệ trong xây dựng CTN trên thế giới đã có nhiều tiến bộ vƣợt bậc, các loại MĐHLN ngày càng đƣợc cải tiến, áp dụng các thành tựu khoa học, điện tử để phục vụ việc thi cơng đƣợc an tồn và kinh tế hơn. Nhiều cơng trình ngầm sử dụng MĐHLN đƣợc xây dựng thành cơng, an tồn qua các vùng đất mềm yếu, tiềm ẩn nhiều nguy cơ sự cố. Tuy nhiên, cũng có khơng ít các tai nạn, sự cố kỹ thuật xảy ra trong quá trình thi cơng và hậu quả để lại vơ cùng lớn.
Sự cố khi xây dựng CTN bằng MĐHLN có thể xảy ra tại nhiều thời điểm, nhiều vị trí khác nhau của cơng trình, do nhiều nguyên nhân chủ quan và
khách quan. Thông thƣờng MĐHLN đƣợc sử dụng tại những nơi có điều kiện thi cơng chật hẹp, trong các đơ thị thành phố, các cơng trình ngầm đi qua các khu vực đông dân cƣ, đƣờng giao thông phức tạp,... những vùng địa chất yếu. Nên các nguy cơ xảy ra sự cố kỹ thuật do biến đổi bất thƣờng, không lƣờng trƣớc đƣợc của các điều kiện địa chất, địa chất thủy văn,. Cho đến nay có rất nhiều các nghiên cứu, thống kê về nguyên nhân cũng nhƣ đánh giá ảnh hƣởng của sự cố đến thời gian hồn thiện cơng trình. Theo khảo sát của Mohamed