Máy khoan hầm kiểu khiên đào cĩ dạng hình trụ, đầu của máy bao trùm tồn bộ mặt cắt ngang của hầm với đầu hoặc bánh cắt. Với cả hai loại máy: máy khoan hầm TBM (tunnel boring machine) ứng dụng trong đá cứng; máy đào hầm kiểu khiên SM (shield machine) ứng dụng trong đất mềm đều đảm bảo đào tự động và cĩ hệ thống, đồng thời cung cấp sự bảo vệ cĩ hiệu quả cho bộ phận làm việc phía đầu đào, ổn định nhanh chĩng hầm đào qua việc lắp đặt vỏ hầm và vận chuyển kịp thời đất đá đã được đào.
Trong thi cơng hầm, khiên là một tổ hợp đào hầm hình trụ đồng thời là một vì chống kim loại khép kín theo chu vi. Dưới sự che chở của vì chống này người ta tiến hành cơng tác đào đất đá và xây vỏ hầm.
Theo phương thức đào đất đá, khiên được chia ra làm khiên khơng cơ giới hĩa, khiên thường và khiên cơ giới hĩa.
1.4.2.1. Khiên khơng cơ giới hĩa.
Việc đào đất của khiên khơng cơ giới hĩa tiến hành thủ cơng như dùng búa chèn, đơi khi nổ mìn.
Việc sử dụng khiên khơng cơ giới hĩa khơng phù hợp trong điều kiện thi cơng hầm trong đơ thị, do địi hỏi yêu cầu tiến độ và phải đảm bảo khơng gây được chấn động các cơng trình lân cận.
1.4.2.2. Khiên thường.
Khiên thường là một kết cấu thép dạng hình trụ được cấu tạo từ phần lưới đào, vịng đỡ, đi khiên, các vách ngăn và kích khiên (hình 1.26). Vịng lưỡi đào để cắt một phần đất theo chu vi hang đồng thời làm vỏ để bảo vệ cho thợ đào trong gương. Vịng đỡ tiếp xúc với vịng lưỡi đào để bố trí các kích thủy lực. Nhờ các kích này mà di chuyển được khiên. Phần đuơi là một vỏ phẳng. Dưới sự che chở của đi khiên, tiến hành tổ hợp các vịng vỏ hầm. Các vách ngăn đứng và ngăn ngang tựa lên vịng kê và chia khiên thành các ngăn cơng tác. Trên các vách đứng cĩ gắn các kích gương để giữ các chống tạm gương đào trong đất rời và đất khơng ổn định khác. Ngồi ra chúng cịn lắp đặt các ống và các thiết bị điều chỉnh hệ thủy lực áp cao và trung bình, các vách ngang để làm sàn cơng tác cho thợ đào hầm và để bố trí các thiết bị, các cơng cụ đào. Khiên cịn được trang bị các vách di động. Những vách di động này cĩ thể dịch chuyển về phía gương một đoạn bằng chiều dài di chuyển của kích. Các bản đệm dùng để nối trong phương dọc các chi tiết của khiên trong thời gian lắp ráp khiên. Theo kích thước
khiên được chia ra làm khiên nhỏ (tiết diện <16m2), khiên trung bình (tiết diện
Hình 1.26. Khiên thường
Cĩ thể nhận thấy việc sử dụng khiên thường trong điều kiện thi cơng hầm trong đơ thị cũng khơng phù hợp do khơng đáp ứng được yêu cầu về tiến độ thi cơng.
1.4.2.3. Khiên cơ giới hĩa.
Điều kiện bắt buộc để gọi là khiên cơ giới hĩa là phải cơ giới hĩa tồn bộ các cơng việc chính của một chu trình bao gồm cả việc xây vỏ. Mức độ cơ giới hĩa từ 90-95%. Các loại tổ hợp đào hầm thực chất cũng là khiên cơ giới hĩa. Tồn bộ q trình tách đất đá khỏi khối địa tầng (đất sẽ được cắt rời bởi một nhĩm các lưỡi cắt quay liên tục xuyên về phía trước) và đưa chúng vào phương tiện vận chuyển được cơ giới hĩa.
Bộ phận chức năng để đào đất đá gồm các phiến cĩ dạng tia, trên đĩ cĩ gắn các dụng cụ cắt dạng lưỡi xoắn hoặc dao phẳng tùy thuộc vào độ cứng của loại đất đá phải đào. Đất đá từ khiên được đưa ra và rĩt vào các gng của đồn tàu nhờ các băng tải hoặc được bơm dẫn vào các trạm xử lý. Trong tổ hợp của khiên cĩ trang bị một thiết bị để lắp ráp vỏ hầm nhờ kích thủy lực và ép chặt vỏ hầm vào địa tầng hoặc các thiết bị nén bêtơng, phủ bêtơng vỏ hầm. Ngồi ra các khiên cơ giới cịn được trang bị bộ phận máy xúc, bằng các bộ phận này, cơng tác đào đất đá được tiến hành theo từng rải của khiên. Khi cần đào đá cứng, kết cấu cần xúc cĩ khả năng sử dụng lưỡi cắt hoặc đầu đập khí nén (hình 1.27).
1. Bộ phận làm việc; 2. Các lưỡi phẳng; 3. Lưỡi cắt; 4. Thân khiên. Hình 1.27. Sơ đồ của khiên cơ giới.
Việc lắp ráp vỏ hầm dạng ống được thực hiện bằng các thiết bị chuyên dụng. Khi vỏ là các khối bêtơng cốt thép cũng cĩ thiết bị riêng cho việc lắp ráp chúng. Các thiết bị này làm việc trong tổ hợp đồng bộ với khiên và lắp vỏ hầm ở phần đuơi khiên. Kết cấu cĩ bộ phận lắp ráp vỏ hầm phụ thuộc vào các yếu tố sau: loại và hình dạng vỏ hầm, kích thước và cơng dụng của hầm, những điều kiện bố trí chúng ở trong hầm và năng lượng sử dụng để lắp ráp vỏ hầm.
Phương pháp khiên đào cĩ thể áp dụng cho bất cứ địa chất nào và bất kỳ độ cao nào. Song việc dùng khiên đào khơng nên đào nơng quá, do rung động khi đào và trường hợp rủi ro cĩ thể xảy ra nước tràn vào hầm làm lún mặt đường và cơng trình phía trên.
Khi đào hầm bằng khiên, việc phối hợp các quá trình cơ bản của một chu kỳ đào là rất hiệu quả như đào gương, thải bùn đất, lắp ráp vỏ mà tốc độ thi cơng hầm chủ yếu phụ thuộc vào chúng. Để đạt được tốc độ đào hầm cao thì tất cả các cơng đoạn trong một chu kỳ phải ràng buộc với nhau như một mắc xích cơng nghệ. Việc cơ giới hĩa đồng bộ các cơng việc đảm bảo tiến độ xây dựng hầm nhanh, nâng cao năng suất lao động và giảm giá thành cơng trình.
Cơng tác mở hầm tiến hành trên tồn bộ mặt cắt (gương hầm liên tục) nhờ tổ hợp cơ giới hĩa đồng bộ. Tổ hợp được trang bị sàn cơng tác tự động và máy lắp đặt vỏ đường hầm. Đất trong gương hầm được đào theo nguyên tắc bằng các
bước trên chiều rộng một vịng khiên đào. Đất đào ra được máy bốc dỡ, chuyển
trực tiếp vào các toa xe goịng sức chở lớn (1,5m3) hoặc đưa lên băng truyền tải.
Các xe goịng chạy điện theo đường hầm đã chuẩn bị vận chuyển đất đến giếng đứng. Ở cuối đường hầm, xây dựng bục nghiêng hoặc máy nâng chuyển để di chuyển các toa goịng lên cốt tuyến dỡ tải. Theo tuyến đĩ từ giếng đứng vào gương hầm, người ta vận chuyển vỏ hầm, vật liệu gia cường và vữa khơ để thi cơng lắp đặt vỏ hầm.
Các loại khiên cơ giới đã được áp dụng như: khiên cĩ đường kính ngồi 4200mm-6500mm, thường dùng để thi cơng các hầm nối của metro, loại đường kính ngồi 8744m-9750mm và khiên tổ hợp cĩ đường kính ngồi tới 17.440mm thường dùng để thi cơng các hầm metro, các khiên cĩ đường kính nhỏ hơn 3600mm thường dùng để thi cơng các hầm khi xây dựng các cơng trình hạ tầng kỹ thuật (điện, điện thoại, ống dẫn khí, hệ thống cấp thốt nước,…)
Phạm vi áp dụng của khiên cơ giới hĩa là từ đất bão hịa nước khơng ổn định đến các đất đá cứng trung bình dễ đào (fk<4). Các khiên cơ giới hĩa cĩ các đặc trưng cơ bản là cĩ bộ phận chức năng để đào đất đá.
Khiên cơ giới hĩa gồm 2 loại: khiên kiểu mở và khiên kiểu kín.
Khiên đào kiểu mở (hình1.28): chỉ áp dụng hiệu quả khi đào ngầm trong
điều kiện địa chất là đất sét đồng nhất hoặc trong bùn đặc. Trong các điều kiện địa chất khơng đồng nhất, khiên đào kiểu mở cĩ hiệu quả khơng cao.
Hình 1.28 . Khiên đào mở
Khiên đào kiểu kín: cĩ 2 loại khiên đào cân bằng áp lực EPB (earth
pressure balanced shield) và khiên đào kết hợp vữa sét (slurry shield).
a. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của khiên cân bằng áp lực.
Phương pháp cân bằng áp lực (EPB) đã được phát triển trong suốt 20 năm qua và đã cách mạng hĩa cơng nghệ đào hầm qua đất mềm. Trong địa chất là đất dính, đất cĩ lẫn sỏi với hàm lượng sét cao, độ chống thấm nước thấp là điều kiện địa chất lý tưởng để áp dụng phương pháp EPB. Cơng nghệ thi cơng phương pháp này cho phép thi cơng hầm gần mặt đất (đáy hầm cách mặt đất khoảng 1,3-1,5 lần đường kính hầm), trong mơi trường nền đất xấu với độ lún bề mặt tối thiểu.
Khiên đào cân bằng áp lực EPB cĩ hình dạng là một ống hình trụ sắc cạnh, xuyên qua đất, ép đất ở phía đầu xun (hình 1.29).
1.Dao cắt; 2. Cữa dẫn vào dao cắt; 3. Thiết bị xilanh; 4. Bộ phận định vị laser; 5. Hộp phĩng đại; 6. Bộ phận xoay vận chuyển đất đá; 7. Băng chuyền;
8. Thùng đựng đất đá đã khoan..
Hình 1.29. Cấu tạo khiên đào EBP.
Trong quá trình khoan, đất được xới ra bởi khiên đào xoay liên tục về phía trước kết hợp với việc phun tia nước với áp suất lực cao ở mặt trước khiên đào. Việc phun tia nước với áp lực cao làm giảm rõ rệt mật độ và ma sát liên kết giữa các hạt đất, đưa đất vào trạng thái cĩ độ mềm lý tưởng, làm cho cơng tác đào đất được dễ dàng, đồng thời đảm bảo cĩ thể điều khiển được áp lực chống đỡ tại vỏ hầm một cách chính xác, cũng như đào và vận chuyển đất đá đã được đào ra ngồi hệ thống băng chuyền.
Việc định vị khi lắp đặt các hạng mục trong quá trình đào nhờ một bộ phận định hướng laser phía sau khiên đào. Các phân đoạn vỏ hầm bêtơng cốt thép cĩ thể đưa vào vị trí và lắp đặt trong lịng ống trụ khiên đào chính xác đến mm. Khiên đào được dịch chuyển lên phía trước nhờ các kích thủy lực tựa vào các đốt vỏ hầm đã được lắp đặt trước đĩ.
Khi thi cơng các đoạn metrơ ngầm theo đường cong, việc định vị được hướng tuyến đào nhờ hệ thống định vị tồn cầu (GPS) kết hợp với trạm định vị laser, hệ compact xoay luơn hướng về phía Bắc.
- Đào bằng khiên EPB trong điều kiện địa chất phù hợp sẽ tăng năng suất rất cao.
- Đất đá được đào và cĩ thể vận chuyển ra khỏi cơng trình bằng ơtơ, khơng cần xử lý nên giá thành giảm.
- Hố đào để thi cơng theo phương pháp EPB khơng địi hỏi phải cĩ diện
tích rộng.
- Việc thay thế hoặc sửa chữa các dao cắt đầu khiên tương đối dễ dàng.
- Tuy nhiên, đất đào lẫn tạp chất được vận chuyển hở thơng qua hệ thống xoay kiểu guồng xoắn, băng truyền nên gây mất vệ sinh và cĩ thể gặp phải rủi ro về khí độc, cháy nổ gas…
- Đào theo cơng nghệ này tương đối khĩ khăn khi kiểm sốt hố đào để
tránh rủi ro về sụt, lở do cân bằng áp lực.
b. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của khiên đào kết hợp với vữa sét.
Máy khoan hầm theo phương pháp khiên đào kết hợp với hợp vữa sét thương mại được áp dụng lần đầu tiên vào năm 1967 tại Nhật Bản và khơng ngừng phát triển trong những năm qua.
Nguyên lý của phương pháp này là sử dụng áp lực vữa sét bentonite tác dụng lên mặt đào, đặc biệt trong trạng thái ngập để giữ cho mặt đào ổn định. Đồng thời dưới tác dụng của khí nén tạo một khoan kín nước ngay đằng sau đầu khiên đào, nĩ bịt kín mặt đào sau khi khoan xong. Nhờ vậy, việc thao tác thay thế các lưỡi cắt ở đầu khiên được dễ dàng nhờ khí nén đẩy nước ra ngồi.
Chức năng của vữa sét bentonite khơng chỉ là tạo áp lực tác dụng lên thành vách của khoang để giữ cho thành khoang đào ổn định, khơng sạt lở trong điều kiện địa chất khơng ổn định, mực nước ngầm cao mà cịn giúp quá trình vận chuyển đất đào được dễ dàng. Trong quá trình đào, vữa sét được trộn lẫn với đất đào, sau đĩ được bơm hút và đưa lên trạm xử lý trên mặt đất một cách dễ dàng.
Tại trạm xử lý, hỗn hợp vữa sét –đất đào sẽ được xử lý để tách vữa sét ra khỏi hỗn hợp. Vữa sét được thu hồi và cung cấp trở lại khoang đào. Tạp chất sẽ được vận chuyển ra khỏi cơng trình.
Tùy theo điều kiện địa chất, thủy văn, nước ngầm, thiết bị khoan để lựa chọn dung dịch khoan cho thích hợp. Phải căn cứ vào nguyên lý cân bằng áp lực ngang để lựa chọn. Chất lượng dung dịch khoan phải tốt và khơng bị hư hỏng theo thời gian. Các chỉ tiêu của dung dịch phải theo đúng tiêu chuẩn. Cơng tác thí nghiệm kiểm tra phải theo đúng quy định.
Phương pháp khiên đào kết hợp với vữa sét cĩ thể áp dụng rộng rãi trong nhiều điều kiện địa chất khác nhau như đất bồi, cát, sét, bùn cũng như tại những nơi cĩ đất mềm, cĩ mực nước ngầm lớn hay sụt lở. Tuy nhiên, trong điều kiện địa chất cĩ trộn lẫn đất đá mồ cơi rải rác, phương pháp này vẫn cĩ thể áp dụng nhờ cĩ bộ phận nghiền đá.
Một số nhận xét về phương pháp khiên đào kết hợp vữa sét:
- Đào bằng khiên kết hợp vữa sét trong điều kiện địa chất phù hợp cũng sẽ cho năng suất cao.
- Đào theo cơng nghệ này sẽ kiểm sốt được hố đào, giảm được rủi ro về sụt lở do mất cân bằng áp lực đất.
- Đất đá được đào và vận chuyển ra khỏi khoang đào bằng hệ thống bơm trong ống kín, nên khơng gây mất vệ sinh, tránh được các rủi ro về khí độc, cháy nổ…
- Việc sửa chữa, thay thế dao cắt đầu khiên tương đối dễ dàng dưới tác dụng của khí nén đẩy nước và vữa sét ra ngồi.
- Tuy nhiên, do hỗn hợp vữa sét-đất đá phải qua trạm xử lý để thu hồi lại vữa sét nên giá thành xây dựng tăng.
- Mặt khác, hố đào để thi cơng theo phương pháp khiên đào kết hợp vữa sét địi hỏi phải cĩ diện tích rộng hơn các phương pháp sử dụng khiên đào khác.