hệ thống cắt của MĐHLN trong q trình thi cơng [18]
3.2.3. Tính mài mịn của đất
Khả năng mài mòn của đất là ngun nhân chính gây mịn hệ thống răng đĩa cắt của máy đào. Khi hệ thống cắt bị mòn làm tăng thời gian thi công, rủi ro gặp sự cố.
Hiện nay công nghệ thi công bàng MĐHLN chƣa cho phép thay các hệ thống răng cắt, bánh cắt trong quá trình sử dụng máy đào hầm. Do đó hệ thống răng, đĩa cắt nếu bị quá mịn và có thể bị phá vỡ dƣới tác dụng của áp lực trong q trình kích đẩy. Có nguy cơ dẫn đến sự cố gây gián đoạn thi cơng, các mảnh vỡ có thể làm kẹt khiến hệ thống cắt không hoạt động đƣợc.
- 73 -
giảm, do vậy cần phải tăng lực đẩy để đảm bảo tốc độ thi công. Hơn nữa khi răng cắt bị mòn quá nhiều, làm giảm tiết diện đào vƣợt của máy dẫn đến tăng lực ma sát.
3.2.4. Khối đá có kích thước lớn và có chướng ngại vật
Độ sâu thông thƣờng của các CTN khi thi công bằng MĐHLN từ 3 đến 15 mét. Ở độ sâu này đất đƣợc hình thành do bồi đắp nhân tạo hoặc là đất phủ chứa rác thải, vật liệu xây dựng, cọc của các cơng trình trƣớc đó để lại, đơi khi chứa các khối đá có kích thƣớc lớn, độ bền cao gây trở ngại cho q trình thi cơng CTN.
Hình 3.5. Các chƣớng ngại vật tìm thấy trong sự cố cơng trình vệ sinh mơi trƣờng Nhiêu Lộc - Thị Nghè, thành phố Hồ Chí Minh [5]
Phế liệu kim loại, gỗ hoặc nhựa PVC có tính linh hoạt cao là những vật liệu khó có thể cắt, nghiền bởi răng, đĩa cắt và hệ thống nghiền (Hình 3.5). Thi công trong điều kiện này tốc độ thi công chậm. Mặt khác, do các loại vật
- 74 -
liệu này có nhiều kích thƣớc lớn nhỏ khác nhau nên khả năng tích tụ trong hệ thống nghiền cao, đôi khi vƣợt quá khả năng nghiền gây tắc hệ thống.
3.3. Nguyên nhân gây hƣ hại ống kích
Ơng kích có chức năng chịu lực cho tồn bộ CTN trong q trình thi cơng và khi hồn thành cơng trình. Ống kích đƣợc đúc sẵn và vận chuyển vào giếng thi công trong giai đoạn chuẩn bị kích đẩy. Ống kích có hình trịn, trong q trình kích đẩy chịu áp lực đất đá và áp lực kích đẩy. Hệ thống kích đẩy tạo ra ứng suất nén vào ống kích, trong một số trƣờng hợp khi lực kích vƣợt quá khả năng chịu tải của ống làm nứt, vỡ hay hƣ hại ống.
a) Hai ống kích có cùng tâm với hệ thống kích đẩy
b) Hai ống kích khơng cùng tâm với hệ thống kích đây
Hình 3.6. Sự tập trung ứng suất lên ống kích trong q trình kích đẩy [7]
Q trình kích đẩy các ống kích có thể nhận áp lực cao hay thấp phụ thuộc một phần vào độ lệch của ống kích với các ống kích liền kề và vào kinh nghiệm của nguời điều khiển. Lực đẩy bắt đầu từ hệ thống kích đẩy, và truyền
- 75 -
tới các ống kích phía trƣớc, nếu lực kích đẩy tại đây khơng cùng tâm với các ống kích dẫn đến tải trọng phân bố không đều trong ống, làm tập trung ứng suất tại một điểm (Hình 3.6b). Khi đó áp lực tăng, bề mặt tiếp xúc giữa các ống kích giảm gây hiện tƣợng vỡ, hƣ hại ống kích [7].
3.4. Nguyên nhân gây ra các sự cố tại gƣơng hầm
3.4.1. Lún bề mặt
Hiện nay MĐHLN đƣợc sử dụng nhiều trong các đơ thị, các vùng có địa chất phức tạp, các vùng có điều kiện thi cơng chật hẹp và cơng trình ngầm thi công ở độ sâu nhỏ từ 3 đến 15 mét nên cần có những định hƣớng, có một cái nhìn tổng quan về các các sự cố bề mặt cơng trình để có thể đƣa ra các giải
pháp phịng ngừa hợp lý, an tồn.
Trong thi cơng, để dễ dàng định hƣớng, làm giảm ma sát giữa lớp đất đá và thành ống kích nên tiết diện đào thực tế ln lớn hơn tiết diện ống kích. Phần đào vƣợt so với ống kích tạo ra một khoảng trống giữa đất đá và vành bên ngồi ống kích trở thành mối nguy cơ tiềm ẩn. Đến một thời điểm nào đó, khi khối đất đá mất ổn định trong q trình kích đẩy áp lực đất đá tăng, đất đá dịch chuyển vào khoảng trống và áp sát vào phía ngồi thành ống kích làm tăng lực ma sát và dẫn đến sự dịch chuyển đất đá trên bề mặt cơng trình, gây các hiện tƣợng lún bề mặt.
Những trƣờng hợp sụt lún bề mặt khi thi công CTN ngầm bằng MĐHLN còn do các yếu tố địa chất, địa chất thủy văn nơi cơng trình thi cơng. Trong q trình thiết kế, việc khoan khảo sát địa chất nhiều lúc trong các vùng địa chất rất phức tạp không lƣờng trƣớc đƣợc các túi cát, túi nƣớc ngầm nên rất dễ xảy ra các sự cố nghiêm trọng. Các túi cát sẽ mất ổn định và trƣợt nhanh vào phần đầu đào gây sự cố cho đầu đào và tạo khoảng trống trong lịng đất, khiến cho vùng đất ở phía trên mất ổn định và dịch chuyển gây ra
- 76 -
các hiện tƣợng lún, sụt trên bề mặt cơng trình.
Ngồi ra, trong q trình xử lý sự cố khi thi cơng CTN gặp phải nƣớc ngầm tràn vào hệ thống máy đào hoặc ống kích, các giải pháp khoan giếng để hút nƣớc ngầm xử lí sự cố cũng là nguyên nhân gây lún sụt trên bề mặt cơng trình. Việc bơm hút hạ thấp mực nƣớc ngầm có thể kéo theo lƣợng lớp sét, lớp bụi cát làm rỗng nền đất và dần lan truyền đến mặt đất gây mất ổn định, phá hủy các cơng trình trên bề mặt.
3.4.2. Mất ổn định, mất cân bằng áp lực trên bề mặt gương hầm
Trong q trình kích đẩy, máy đào hầm hoạt động, gƣơng hầm chịu tác dụng xoay và đẩy của đầu cắt do lực kích đẩy của hệ thống kích tại giếng thi cơng. Ngồi ra gƣơng hầm cịn chịu áp lực của chất lỏng trong q trình kích đẩy. Khi đó sự cố có thể xảy ra khi:
- Áp lực đẩy lên bề mặt nhỏ hơn áp lực của đất đá tác dụng lên gƣơng hầm sẽ gây giảm áp suất, đất đá có xu hƣớng dịch chuyển vào trong đầu cắt và hệ thống nghiền của máy đào hầm. Sự cố này diễn biến gần nhƣ khi đầu đào đi qua vùng địa chất có các túi sét, cát,... gây nên hiện tƣợng sụt lún trên bề mặt cơng trình;
- Áp lực quá cao, cao hơn nhiều so với áp lực đất đá từ gƣơng hầm, tốc độ cắt, xâm nhập của máy đào nhanh hơn sự vận chuyển của hệ thống đất đá thải. Trƣờng hợp này sẽ làm cho gƣơng hầm mất ổn định và là nguyên nhân gây ra hiện tƣợng bùng nền bề mặt cơng trình.
3.5. Nhận xét chƣơng 3
Thi công CTN bằng MĐHLN là công nghệ thi công mới, với ƣu điểm nổi bật hạn chế tối đa các tác động ảnh hƣởng đến giao thơng, các cơng trình trên bề mặt, thích hợp thi công trong các điều kiện chật hẹp, khu vực qua đƣờng cao tốc, các khu vục dân cƣ đông đúc,... khi mà các phƣơng pháp thi công khác khơng hợp lí hoặc khơng thực hiện đƣợc.
- 77 -
Tại chƣơng 3, Luận văn tập trung nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến phƣơng pháp thi cơng, phân tích các nguyên nhân gây ra sự cố khi thi công CTN bằng MĐHLN nhƣ: các nguyên nhân sự cố do khảo sát địa chất, tính tốn thiết kế; các nguyên nhân do vận hành máy đào hầm loại nhỏ. Tất cả các nguyên nhân đó đều có thể gây ra những sự cố trong quá trình thi cơng, làm chậm tiến độ cơng trình và gây thiệt hại lớn về kinh tế. Để việc thi công CTN diễn ra một cách an toàn, tránh đến mức thấp nhất các rủi ro, Chƣơng 4 sẽ đƣa ra các giải pháp nhằm hạn chế, khắc phục và nâng cao hiệu quả thi công CTN bằng MĐHLN; giới thiệu phƣơng án lựa chọn MĐHLN và các phụ kiện phù hợp để việc thi công CTN bằng MĐHLN đƣợc tốt nhất.
- 78 -
CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT LỰA CHỌN CÁC LOẠI MÁY ĐÀO HẦM LOẠI NHỎ VÀ CÁC PHỤ KIỆN ĐI KÈM KHI THI CƠNG CƠNG
TRÌNH NGẦM TIẾT DIỆN NHỎ
Để thi cơng CTN bằng MĐHLN đảm bảo an tồn, hạn chế thấp nhất các nguy cơ xảy ra sự cố, thi công đúng tiến độ đề ra và tiết kiệm về kinh tế. Để phòng ngừa sự cố trong thi công CTN bằng MĐHLN, hiệu quả nhất là tiến hành các biện pháp mang tính chủ động để giảm thiểu khả năng xảy ra sự cố cũng nhƣ mức độ tác động của nó khi xảy ra.
Từ các dạng sự cố, nguyên nhân dẫn tới sự cố khi thi công CTN bằng MĐHLN đã đƣợc tổng hợp và phân tích ở Chƣơng 3 cho thấy để phịng ngừa sự cố cần nghiên cứu các nhóm giải pháp:
- Các giải pháp về thiết kế dự án xây dựng cơng trình ngầm thi cơng bằng máy đào hầm loại nhỏ:
+ Thăm dò, điều tra, khảo sát điều kiện địa chất, địa chất thủy văn khu vực thi cơng CTN đầy đủ, chính xác;
+ Quy hoạch, thiết kế CTN phù hợp với điều kiện thực tế;
+ Thiết kế CTN có chú ý đến tất cả các yếu tố có thể tác động tới cơng trình trong suốt q trình thi cơng và sử dụng;
+ Lựa chọn MĐH và các phụ kiện đi kèm phù hợp cho từng điều kiện địa chất nhất định.
- Các giải pháp về chất lƣợng quản lý, vận hành thi cơng cơng trình: + Quan trắc, đánh giá ổn định CTN và các cơng trình bề mặt trong suốt thời gian thực hiện dự án;
+ Sử dụng hệ thống quản lý, kiểm soát rủi ro, quản lý chất lƣợng nhƣ một phần của dự án;
+ Sử dụng các phần mềm mơ phỏng để dự đốn các sự cố ảnh hƣởng đến q trình thi cơng;
- 79 -
+ Nâng cao năng lực đội ngũ cán bộ tham gia thực hiện dự án, sự phối hợp giữa các bên trong suốt thời gian thực hiện dự án;
+ Nâng cao chất lƣợng công tác chuẩn bị hồ sơ mời thầu và đấu thầu. Với chủ đề nghiên cứu của luận văn Nghiên cứu lựa chọn MĐH và các phụ kiện đi kèm khi thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ. Tác giả giới thiệu một số nguyên tắc cơ bản lựa chọn máy đào hầm cũng nhƣ một số trang phụ kiện đi kèm với mục đích lƣu ý với các nhà quản lý, thiết kế và các nhà thầu thi công các CTN tiết diện nhỏ ở Việt Nam sắp tới có sử dụng MĐHLN có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo để lựa chọn đƣợc máy đào hầm và phụ kiện đi kèm phù hợp nhằm tránh đƣợc những rủi ro khơng đáng có có thể thể xảy ra trong q trình thi cơng.
4.1. Đặt vấn đề
Máy đào hầm loại nhỏ (MĐHLN) hoạt động với 04 chức năng chính: - Tách bóc và giữ ổn định đất đá tại gƣơng hầm;
- Vận chuyển đất đá thải lên mặt đất;
- Điều khiển, định hƣớng quỹ đạo đi của máy đào hầm;
- Kích đẩy ống kích (vỏ chống cố định) cho cơng trình bằng hệ thống kích đẩy.
Hai chức năng đƣợc đề cập cuối (Điều khiển, định hƣớng quỹ đạo đi của máy đào hầm và kích đẩy ống kích (vỏ chống cố định) cho cơng trình bằng hệ thống kích đẩy) có sự khác nhau rất ít giữa các loại MĐHLN, do đó việc xác định các yếu tố để lựa chọn MĐHLN dựa trên hai chức năng này là rất khó khăn. Bên cạnh đó, thực tế thi cơng cho thấy trong điều kiện phức tạp các nhà đầu tƣ có thể giảm khả năng xảy ra sự cố bằng cách tránh hoặc lựa chọn máy đào phù hợp với điều kiện thực tế. Tuy nhiên việc này địi hỏi cơng tác khảo sát điều kiện địa chất, địa chất thủy văn chi tiết để biết đƣợc điều
- 80 -
kiện đất đá CTN đi qua nhƣ thế nào (đất sét, cát, đá,...) và một số thông số khác nhƣ: độ ẩm, mềm, dẻo và độ chặt của đất đá.
Tuy nhiên, mặc dù điều kiện đất đá đƣợc khảo sát chi tiết, chính xác thì việc lựa chọn máy đào hầm và các phụ kiện đi kèm vẫn gặp nhiều khó khăn do những nguyên nhân:
- Do kích thƣớc nhỏ của phần tử cấu trúc của đất đá, các phần tử dễ dàng di chuyển và lồng vào trong ma trận đất đá xung quanh, làm biến đổi điều kiện đất đá tự nhiên, gây khó khăn trong q trình đào;
- Do kỹ thuật, công nghệ của MĐHLN hiện nay chƣa cho phép can thiệp vào hệ thống đào hay thay thế hệ thống răng cắt trong q trình thi cơng;
- Do gặp sự cố (ví dụ nhƣ tắc nghẽn hệ thống vận chuyển đất đá thải hay do lực ma sát quá lớn giữa các ống kích với đất đá xung quanh thành ống) thì việc sửa chữa, khắc phục sự cố làm tăng giá thành và kéo dài thời gian thi cơng so với tính tốn ban đầu.
Do đó, hiện nay xu hƣớng chung của các nhà sản xuất máy đào hầm là tập trung nghiên cứu một thiết bị “phổ biến” tức là máy có khả năng thi cơng trong mọi điều kiện đất đá. Tuy nhiên, đến nay sự cố trong thi công CTN bằng MĐHLN vẫn xảy ra thƣờng xuyên. Mục tiêu của luận văn là giới thiệu một số lƣu ý cần thiết và có thể làm tài liệu cho các nhà tƣ vấn, thiết kế sử dụng để lựa chọn đƣợc máy đào hầm và thiết bị phụ trợ (phụ kiện) đi kèm trên cơ sở công nghệ của MĐHLN hiện nay. Đƣơng nhiên công nghệ thi công bằng MĐHLN tiến bộ rất nhanh và do đó chúng ta có thể có câu trả lời khác với các lƣu ý trong bài báo này.
- 81 -
4.2. Lựa chọn MĐHLN.
Những năm 1970 chứng kiến sự phát triển của 3 loại MĐHLN:
- MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng thủy lực: phù
hợp với đất hạt dính (cát, sỏi) và bùn. Thi cơng trong điều kiện đất sét dẻo có thể gây tắc hệ thống vận chuyển đất đá do sự dính kết của vật liệu thải. Một phần nguyên nhân là do sử dụng chất lỏng và phụ gia trong q trình tách bóc đất đá (nƣớc hoặc bentonite). Bên cạnh đó, MĐHLN dạng này phải có hệ thống xử lý đất đá thải (lọc bentonite, phụ gia để tái sử dụng) và đây cũng là một hạn chế của loại máy này;
- MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng cơ học: phù
hợp trong điều kiện cát, sét bùn nhƣng ít sỏi (khó khăn khi vận chuyển đất đá thải ra ngoài bằng hệ thống cơ học với những phần tử hạt to). Trong điều kiện sét dẻo xảy ra hiện tƣợng kết dính gây khó khăn khi hệ thống cơ học hoạt động. Tuy nhiên, khi sử dụng hệ thống này đất đá thải đƣợc đƣa trực tiếp ra ngồi và khơng cần xử lý;
- MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng khí nén: đã
đƣợc sử dụng tại một số cơng trình và đất đá thi công phù hợp là sỏi pha cát. Tuy nhiên trong điều kiện đất đá có tính dính kết cao (sét đặc) thì hiệu quả làm việc giảm rõ rệt. Bảng 1 là điều kiện áp dụng của MĐHLN trong các loại đất đá khác nhau.
- 82 -
Bảng 4.1. Lựa chọn MĐHLN căn cứ vào điều đất đá [14].
Loại đất đá
Loại máy Sét Cuội Sỏi Cát
Bùn Không dẻo (IP<30) Dẻo (IP>30) MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng thủy lực. ** ** ** ** ** * MĐHLN sử dụng hệ thống vận tải đất đá thải bằng cơ học. 0 * ** ** * 0 MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng khí nén. 0 ** ** ** * *
Trong đó: ** là loại đất đá MĐHLN đào qua tốt; * là loại đất đá MĐHLN có thể đào;
0 là loại đất đá MĐHLN không thể đào; IP là chỉ số dẻo. Thực tế MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng cơ học và bằng khí nén khơng đƣợc dùng từ cuối năm 1990. Đến nay MĐHLN sử