CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ THI CÔNG PHÙ HỢP
4.2. Công nghệ thi công bằng khiên đào
4.2.1. Phân loại khiên đào
Máy khiên đào (SM) được phân ra làm hai nhóm: máy khiên đào toàn gương (SM-V) và máy khiên đào từng phần gương (SM-T). Máy khiên đào toàn gương hay toàn tiết diện hầm là những máy có bộ phận đào là các bánh cắt hay mâm cắt. Máy khiên đào từng phần gương có bộ phận đào là gầu xúc, đầu đào hay tay cắt
Hình 4.1 Minh họa máy khiên đào từng phần gương
Hình 4.2 Minh họa máy khiên đào toàn phần gương 4.2.1. 1. Máy khiên đào, đào toàn gương SM-V
Nhóm máy khiên đào này mang các ký hiệu từ SM-V1 đến SM-V5 và có các đặc điểm, tính năng như sau [5]:
SM-V1: Gương hầm không được chống đỡ (không chống gương)
Máy này không có cơ cấu chống đỡ gương hầm, nên còn được gọi là máy khiên đào “hở”. Nó được sử dụng khi đào trong đất sét cứng (không chứa nước), bánh cắt làm nhiệm vụ cắt, đào đất và đất đào ra được vận chuyển bằng băng tải hoặc máng cào.
Loại này chủ yếu được sử dụng cho các loại đất cố kết, khô và ổn định, để tránh gây sụt lún trong quá trình thi công gần mặt đất, chiều dày lớp phủ mỏng, khối đất cần có khả năng chịu nén nhỏ hơn 1NM/m2; lực dính kết C phải lớn hơn 30KN/m2.
SM-V2: Gương đào được chống đỡ bằng biện pháp cơ học (chống đỡ cơ học)
Bánh cắt hay mâm cắt của máy có cấu tạo gần như kín, áp vào gương đào và tạo ra áp lực chống trượt lở sớm của gương đào. Các tấm gá đỡ trên
mâm cắt nằm giữa các thanh răng cắt được lắp ghép đàn hồi, nhờ vậy đất đào ra chui vào khe hở giữa các tấm gá đỡ và thanh răng cắt (khe hở này có khoảng hở biến đổi) vào khoang công tác. Đất được vận chuyển ra bằng băng tải, máng cào hoặc bằng phương pháp thủy lực. Loại máy khiên đào này có dạng lưỡi xẻng và có mức độ cơ giới hóa cao hiện nay, nhưng loại máy này chỉ sử dụng cho khối đá kém cứng vững, tuy nhiên, nếu đất có tính chảy dẻo thì vì có khe hở, gương hầm không được chống đỡ triệt để có thể gây ra lún sụt
Do toàn bộ mặt mâm cắt tỳ vào gương đào nên được sử dụng chủ yếu trong khối đất khô, đặc biệt trong đất dính kết, kém ổn định hoặc đất hỗn hợp từ các loại dính kết và không dính kết và trở ngại nhất khi thi công là có đá kẹp. Đất cần có lực dính kết từ 30÷50KN/m2
SM-V3: Gương hầm được chống đỡ bằng khí nén
Khi khối đất chứa nước ngầm cần thiết phải được khống chế không cho nước xâm nhập vào khoang công tác, một khi không áp dụng biện pháp tháo khô. Trong trường hợp này, một trong các giải pháp là toàn bộ đường hầm hoặc ít ra buồng công tác phải đặt trong chế độ khí nén, trường hợp sau phải có tường ngăn cách (tường áp lực) với bên ngoài. Trong cả hai trường hợp trên đều phải bố trí khoang (hay âu) an toàn. Nhờ áp lực khí nén, nước không chỉ bị giữ lại mà còn bị ép vào sâu trong khối đất và khi sử dụng khiên loại này phải chú ý đến khả năng thoát khí ở đuôi khiên chống tiếp giáp với kết cấu vỏ chống hầm
Vì sử dụng khí nén để chống đỡ gương, loại máy này được sử dụng khi gặp nước ngầm, phạm vi chính là đất có cấu tạo hỗn hợp
SM-V4: Chống đỡ gương hầm bằng chất lỏng có áp
Tùy thuộc vào khả năng thấm nước của khối đất mà chất lỏng được sử dụng có tỷ trọng và độ nhớt tương xứng. Bentonite được coi là loại chất lỏng hữu hiệu, buồng công tác được ngăn cách với đường hầm bằng một tường áp lực, áp lực chống đỡ gương được điều khiển chính xác nhờ một “đệm không
khí”, hoặc thông qua bộ phận điều chỉnh số vòng quay của máy bơm vận chuyển và máy bơm cung cấp. Đất được đào ra nhờ mâm cắt và vận chuyển ra nhờ bơm thủy lực (bơm vận chuyển), hỗn hợp vận chuyển ra phải được chia tách thành các thành phần riêng rẽ. Khi cần đi vào khoang công tác (sửa chữa, thay thế răng cắt) cần thiết phải sử dụng khí nén thay cho chất lỏng, khi đó chất lỏng (bentonite, polymer) tạo ra một màng ngăn cách ngay sát gương hầm không cho khí nén thấm qua, màng ngăn này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian ngắn, mà chống đỡ gương phải nhờ vào khí nén do vậy phải nhanh chóng tạo ra màng ngăn mới. Trong buồng công tác thường bố trí máy nghiền đập để nghiền vụn đá kẹp, vật lẫn cứng rắn
Phạm vi sử dụng chính cho loại máy này là cho các loại đất dính kết ít hoặc không dính kết, có hoặc không có nước. Khiên chất lỏng có áp phù hợp để sử dụng trong khối đất rời đào qua khu vực có nước ngầm vì khi đó có thể dễ dàng phân tách đất thải ra khỏi dung dịch bentonite tại trạm phân tách, phù hợp khi trong đất có hệ số thấm lớn hơn 10-5m/s và có thể tới 10-2m/s. Tuy nhiên, nếu áp lực nước ngầm quá lớn phải sử dụng dung dịch bentonite đặc biệt có hiệu ứng tạo lớp màng chống thấm trên gương mặt nhưng lớp màng này cũng chỉ phát huy tác dụng nếu áp lực nước ngầm nhỏ và chỉ hiệu quả nếu áp lực nước ngầm trên mặt gương nhỏ hơn vài chục Mpa.
Hình 4.3 Sơ đồ cấu tạo của khiên chất lỏng có áp
SM-V5: Các máy loại này thực hiện chống đỡ gương theo phương thức
“cân bằng áp lực đất” (chống đỡ bằng áp lực đất)
Khối đất đào ra được đưa về dạng “vữa đất” làm nhiệm vụ chống đỡ gương hầm, khoang công tác cũng được ngăn cách với phần còn lại bằng tường ngăn áp lực, mâm cắt ở dạng kín hoặc có ít khe khở, trục xoắn ruột gà làm nhiêm vụ kéo đất ra khỏi buồng công tác. Áp lực đất chống đỡ gương được điều chỉnh nhờ các kích nén (kích di chuyển) và thông qua điều chỉnh số vòng quay của trục xoắn kéo đất
Loại máy này dùng áp lực đất để chống đỡ gương đào được sử dụng thích hợp nhất trong các khối đất có thành phần dính kết và loại này sử dụng hiệu quả khi hệ số thấm của đất nhỏ hơn 10-5m/s
Hình 4.4 Sơ đồ cấu tạo của khiên cân bằng áp lực đất
Hình 4.5.Sơ đồ hệ thống thi công bằng khiên cân bằng áp lực đất Đặc điểm :
Xe khiên đào kiểu cân bằng áp lực đất gần như thích hợp với tất cả các địa tầng mềm yếu, đồng thời bảo vệ có hiệu quả sự ổn định của bề mặt đào đất, giảm được độ lún của mặt đất, trong thi công thì dễ dàng thao tác và có tính an toàn cao.
Xe khiên ở trong tầng đất lợi dụng sự bố trí lực bóc gọt của mâm dao để tiến hành gọt đất. Đất được bào gọt theo các rãnh của mâm dao vào thùng chứa đất. Thông qua hệ thống xử lý bùn đất, tiến hành cải thiện đất được bào gọt chứa đầy trong khoang chứa đất, làm cho đất có độ dẻo chảy tốt. Thông qua việc khống chế tốc độ vòng quay vít vô tận của máy vận chuyển đường ống để khống chế lượng đất chảy ra của thùng chứa đất làm cho đất đã cải thiện trong thùng giữ được áp lực nhất định, giữ được động thái cân bằng của áp lực đất ở bề mặt đào, đạt được mục đích khống chế độ lún ở mặt đất.
Phạm vi thích hợp :
Xe khiên đào kiểu cân bằng áp lực đất nói chung không dùng các biện
pháp kỹ thuật bổ trợ, bản thân đã có thể cải tiến tính năng của đất, thông qua việc cải tạo các loại đất, có thể thích hợp với yêu cầu của nhiều loại địa tầng và nhiều loại môi trường. Có thể sử dụng trong các địa tầng đất lẫn sỏi sạn, đất cát, đất cát bột, đất sét,...với độ chặt thấp, mềm, cứng,... xen lẫn nhau.
Xe khiên đào kiểu cân bằng áp lực đất chia làm 2 loại: một là trong tầng đất sét, đất đào ra trực tiếp lấp kín khe trống ở chỗ bào cắt, dùng ống vận chuyển kiểu vít vô tận điều chỉnh áp lực đất, làm cho áp lực đất trong thùng chứa đất và áp lực đất nước ở mặt đào cân bằng. Loại khác là trong tầng đất cát đất đào được cho thêm lượng nước thích đáng hay dung dịch bùn, chất phụ gia, ... trộn đến khi khối đất có độ lưu động tốt lấp đầy thùng chứa và ống vận chuyển kiểu vít vô tận, làm cho bề mặt công tác ổn định.
Nguyên lý công tác :
Đẩy xe khiên đào kiểu cân bằng áp lực đất là sử dụng mâm dao được lắp ở đầu xe với toàn bộ mặt cắt bào gọt, toàn bộ bùn đất được bào gọt ở mặt chính chui vào hòn kín ở phía sau mâm dao, làm cho thùng đất có áp lực thích hợp cân bằng với áp lực đất nước ở bề mặt đào đất để giảm bớt xáo trộn khối đất ở địa tầng khi đẩy xe tiến lên, từ đó khống chế biến dạng ở mặt đất. Khi xả bùn đất do máy vận chuyển đường ống kiểu vít vô tận lắp ở phía dưới thùng chứa đất theo cửa xả đất liên tục xả bùn đất ra ngoài.
Khiên cân bằng áp lực đất có đường kính 15.0m (4000T, 160m dài, tốc độ khoan trung bình 0.665m/1 phút) là khiên có đường kính lớn nhất thế giới hiện nay.
4.2.1.2. Máy khiên đào, đào từng phần gương SM-T
Nhóm này mang các ký hiệu từ SM-T1 đến SM-T4 với các đặc điểm như sau [5]:
SM-T1: Không chống đỡ gương hầm
Khi gương hầm ở dạng thẳng đứng hoặc dốc đứng mà vẫn ổn định thì có
thể sử dụng loại máy này, máy chỉ bao gồm có vỏ bảo vệ (khiên chống) và bộ phận đào đất (gầu xúc, gầu khoan đào hoặc đầu răng kéo), đất đào được vận chuyển đi bằng băng tải hoặc máng cào. Loại máy này được sử dụng khi gương hầm ổn định, tương tự như máy SM-V1
SM-T2: Chống đỡ từng phần gương hầm
Gương hầm được chống đỡ bằng sàn thi công (sàn công tác) hoặc các tấm chắn, khi chống đỡ sàn công tác, gương được chia ra làm nhiều phần tùy thuộc vào việc bố trí số tầng sàn công tác và tạo ra độ dốc nhất định giữ cho gương ổn định. Máy khiên đào này với sàn công tác có mức độ cơ khí hóa thấp, nhược điểm chính là có thể dẫn đến lún sụt lớn, đôi khi không điều khiển được
Trường hợp sử dụng các tấm chắn để đỡ gương thì các tấm chắn được nén ép bằng kích thủy lực, khi tiến hành đào (thủ công hay máy) các tấm chắn được lần lượt hạ bỏ ra
Loại này được sử dụng nếu việc chống đỡ gương thực hiện được nhờ để theo góc nghỉ tự nhiên trên từng sàn công tác và phạm vi áp dụng chủ yếu là khi địa chất gặp cát, cuội liên kết yếu hoặc hoàn toàn rời rạc với các góc ma sát trong (góc nghỉ) tương ứng
SM-T3: Chống đỡ gương bằng khí nén
Khí nén được đưa vào toàn bộ hầm hoặc chỉ trong khoang công tác, đất đào được vận chuyển bằng phương tiện thủy lực hoặc ở trạng thái khô qua khoang vật liệu
Loại máy này dùng trong các trường hợp khối đất có đặc điểm như của máy SM-T1 và SM-T2 nhưng có chứa nước ngầm
So với máy khiên đào toàn phần chống bằng khí nén, khiên từng phần loại này thích hợp hơn trong khối đất có chứa cuội tảng
SM-T4: Chống đỡ gương bằng chất lỏng
Các loại máy này có buồng công tác ngăn cách với bên ngoài bằng tường ngăn áp lực, buồng ngăn được bơm đầy chất lỏng, áp lực điều chỉnh nhờ máy bơm cung cấp và máy bơm hút ra, đất được đào nhờ cơ cấu tay đào, tương tự như máy xúc kiểu hút, hút cả đất và chất lỏng ra.
Khi gặp hỗn hợp cuội, cát dưới nước thì nên dùng loại máy này, đặc điểm của khối đất tương tự như đối với trường hợp máy SM-V4