4. TBM dùng áp lực đất
5.4.3 Cơ chế làm việc của TBM
Trƣớc hết, cần phân biệt các loại TBM. Tùy thuộc vào điều kiện địa chất của khu vực cần khoan mà ngƣời ta quyết định việc sử dụng TBM nào. Dƣới đây là hoạt động của một máy đào hầm qua nền địa chất đá cứng. Sử dụng TBM có thể xem là lựa chọn kinh tế, an tồn và nhanh chóng nhất. Thực tế này đã đƣợc chứng minh tại nhiều dự án lớn trên thế giới.
Hình 5.14 Cơ chê làm việc quả TBM trong đá cứng * Thông tin chung về Gripper TBM
Địa chất: đá cứng, ổn định (ví dụ: granite, gneiss, basalt). Đƣờng kính: 2 – 12.5 m.
Đây là giải pháp hiệu quả để đẩy nhanh tiến độ thi công khi khoan hầm trong điều kiện đá cứng. Phụ thuộc vào cấu kiện chống đỡ cho từng loại đá mà tốc độ khoan có thể thay đổi. Thiết bị này tối ƣu nhất khi sử dụng cho đá có cƣờng độ trung bình đến cao. Với điều kiện địa chất nứt nẻ, các biện pháp/thiết bị để đảm bảo chống đỡ phía sau gƣơng đào đƣợc gắn trực tiếp lên thân TBM sẽ đảm nhiệm công việc này.
95
* Cấu tạo của Gripper TBM
Cutter head: nơi đặt những lƣỡi khoan đá có cƣờng độ cao.
Bucket: bộ phận thu gom các mảnh vỡ của đá sau khi đƣợc khoan, và chuyển
chúng về phía sau của TBM. Những vật liệu thừa này sau đó đƣợc đƣa lên Muck Ring để đƣa về băng chuyền phía sau.
Roof Shield: lớp vỏ bảo vệ phía sau Cutter head. Bảo vệ ngƣời và máy móc
tránh khỏi các tác động từ đá lở, nứt nẻ.
Ring beam erector: Đảm nhận nhiệm vụ lắp đặt các dầm chống đỡ phía sau
gƣơng đào. Tùy thuộc vào địa chất, ngƣời ta có sử dụng loại dầm ngàm cứng (rigid) hoặc có thể dịch chuyển (flexible).
Bolting Unit: máy khoan tạo các lỗ khoan để lắp neo đá phía sau gƣơng đào. Machine belt: băng chuyền vận chuyển các phế thải trong quá trình khoan đào
về khu vực phía sau TBM.
Probe Drilling Unit: Máy khoan thăm dò. Thực hiện nhiệm vụ khoan thăm dò
địa chất. Nó có thể đƣa ra dự báo về địa chất ở khoảng cách 100m phía trƣớc gƣơng đào.
Thrust Cylinders: Thanh đẩy thủy lực. Khi hoạt động, chúng tỳ lên mép trên
của các miếng vỏ hầm đúc sẵn và đẩy phần đầu TBM tiến lên phía trƣớc.
Gripper Shoes: Khi hoạt động, chúng ép sát lên mặt hầm, tạo thành áp lực
chống đỡ. Hoạt động nhờ các xy lanh thủy lực.
Machine support: Chống đỡ tạm cho bộ phía sau của TBM trong khi Gripper
96
Hình 5.15 Các bộ phận của Gripper TBM * Hoạt động của Gripper TBM
Khi đào hầm với Gripper TBM, một đầu khoan đƣợc trang bị những lƣỡi khoan đƣợc áp sát vào mặt gƣơng đào với một áp lực có thể lên đến 32 tấn mỗi lƣỡi khoan. Nƣớc đƣợc sử dụng để làm mát cho các lƣỡi khoan và loại bỏ bớt bụi trong quá trình khoan. Các lƣỡi khoan sẽ thƣờng xuyên đƣợc đánh giá và thay thế khi cần thiết để đảm bảo hiệu quả hoạt động tốt nhất. Một bộ phận đƣợc bố trí ở phía dƣới đầu khoan làm nhiệm vụ thu gom vật liệu sau quá trình khoan để đƣa lên băng chuyền. Từ đây, phế thải của quá trình khoan đào đƣợc đƣa ra phía sau và đƣợc đƣa ra khỏi hầm.
Hình 5.16 Vận chuyển phế thải của q trình đào ra phía sau
Trƣớc mỗi lần khoan, Gripper TBM đƣợc chống vào phần thành hầm đã đào nhờ vào hệ thống thanh chống thủy lực vng góc với thành hầm. Thanh chống này có thể thay đổi chiều dài của mình. Phần chống vào thành hầm đƣợc gọi là Gripper Shoes. Theo sau đó, một thanh chống khác (Thrust Cylinders) tỳ vào Gripper Shoes và đẩy đầu khoan đào lên phía trƣớc tiến về phía gƣơng đào. Máy có thể đƣợc trang bị một lớp vỏ ở bên ngồi để bảo vệ máy móc và con ngƣời khỏi sự rung chấn trong suốt
97 quá trình khoan. Lớp vỏ ngƣợc (invert shield) đƣợc sử dụng giảm ma sát và dẫn hƣớng cho TBM. Các phần thân vỏ ở hai bên tạo ra áp lực vào thành hầm, giúp ổn định phần địa chất mới đƣợc khoan đào. Phần vỏ ở phía trên (roof shield) có thể đƣợc trang bị thêm để chống đá lở, đảm bảo an tồn. Sau mỗi một lần khoan thành cơng, Q trình đào hầm dừng lại để các ―grip‖ di chuyển lên phía trƣớc.
Hình 5.17. Q trình tịnh tiến TBM
Bộ phận Gripper cũng chính là trung tâm điều khiển cho TBM. Khoang điều khiển đƣợc đặt ở chính giữa TBM. Phần khung này có thể di chuyển ngang, dọc sử dụng xy lanh thủy lực. Nó cho phép điều khiển chính xác việc tịnh tiến của TBM. Vị trí của TBM đƣợc theo dõi và điều chỉnh theo một hƣớng đi đã đƣợc định vị sẵn.
* Vấn đề an tồn trong q trình hoạt động
Về cơ bản, gripper TBM là một máy khoan hầm ở chế độ hở open-mode (tức là khơng có vỏ kín). Vì thế, việc khoan hầm phụ thuộc lớn vào thời gian cần thiết để chống đỡ cho nền đá xung quanh. Trong các điều kiện địa chất phức tạp, gripper TBM cho phép chống đỡ tạm ngay phía sau đầu khoan bằng các biện pháp nhƣ neo đá hoặc dầm thép.
TBM còn đƣợc trang bị một hệ thống khoan thăm dò trƣớc (probe drilling). Điều này cho phép phát hiện sớm các rủi ro khơng lƣờng trƣớc đƣợc. Ví dụ nhƣ các vùng địa chất yếu, các hốc đá, hốc nƣớc… Ngồi ra, một hệ thống tích hợp sóng siêu âm cũng có thể đƣợc sử dụng để dự báo trƣớc các rủi ro này.
98
Hình 5.18. Thiết bị phát sóng siêu âm giúp phát hiện các vùng địa chất bất thƣờng
Nƣớc và đất thải rơi xuống phía dƣới sẽ đƣợc thu gom bằng hệ thống dọn dẹp vệ sinh ở phần vịm ngƣợc.
Hình 5.19 Dọn dẹp vệ sinh ở phần vịm ngƣợc
Ở phía sau, phần hầm đã đƣợc đào hồn thiện có thể đƣợc chống đỡ bằng bê tông phun, lƣới thép và các biện pháp khác nếu cần thiết. Cuối cùng, một lớp vỏ hầm bằng bê tông đúc sẵn đƣợc lắp đặt để hoàn thiện kết cấu áo hầm.
Hình 5.20 Lắp đặt kết cấu chống đỡ ở phần hầm đã đào * Lợi ích của Gripper TBM
Với việc khơng có vỏ kín, Gripper TBM cho phép quá trình hoạt động linh hoạt hơn. Với việc loại bỏ các lớp vỏ, đƣờng kính tổng thể của máy có thể giảm đi vài mm, tùy vào loại máy. Điều này cho phép thiết bị có thể ứng phó đƣợc trong những trƣờng hợp đá giãn nở và tránh khỏi trƣờng hợp bị kẹt máy.
Gripper TBM với đƣờng kính nhỏ hơn 3.8m là một sự thử thách lớn đối với các nhà thiết kế. Rất nhiều thiết bị đƣợc lắp đặt trong một phạm vi không gian nhỏ hẹp. mà vẫn phải đảm bảo chỗ trống cho con ngƣời làm việc.
Herrenknecht là đơn vị tiên phong trong việc cải tiến các TBM cỡ nhỏ. Nhà sản xuất đến từ Đức đã tích hợp các bộ phận chống đỡ của TBM vào chung với phần vỏ.
99 TBM đƣợc điều khiển bằng các xy lanh dạng lƣới. Việc thiết kế này cũng giúp cho TBM hạn chế đƣợc các tác động rung.
Gripper TBM là sự lựa chọn hoàn hảo cho nền địa chất đá cứng. Chúng có thể đạt đƣợc tốc độ khoan rất lớn trong nền đá cứng chắc và ổn định. Chi phí vận hành thấp. Vì thế, chúng có thể thực hiện các đƣờng hầm dài nhƣ hầm đƣờng sắt Gottharf Base ở Thụy Sỹ với chiều dài lên đến 57.09km một cách nhanh chóng và thành cơng.
Hình 5.21 Gripper TBm của Herrenknecht hoàn thành đào hầm Gotthard Base năm 2010
Thảo luận
100
CHƢƠNG 6