42 3.4.2.2 Tính tốn áp lực ngang
5.2.2.1 Cấu tạo của khiên
Cĩ rất nhiều chủng loại khiên, xét về cơng năng của khiên trong thi cơng thì cấu tạo cơ bản như sau :
Hình 5.6 Sơ đồ cấu tạo cơ bản của khiên
(1) động cơ điện dùng cho mâm dao, (2) vít tải, (3) động cơ điện dùng cho vít tải, (4) băng chuyền, (5) kích của van, (6) máy lắp tấm ống hầm, (7) giá đỡ mâm dao, (8) tấm
ngăn cách, (9) cửa ra vào khẩn cấp Vỏ khiên : gồm 3 bộ phận :
Vành miệng cắt : là bộ phận đào và chặn đất, nằm ở đầu mút phía trước khiên, khi thi cơng, đầu tiên cắt chui vào đất và yểm hộ cho cơng tác đào. Một phần vành miệng cắt tại phía trước cĩ gắn miệng lưỡi để giảm bớt rung động địa tầng khi khoan. Vành miệng cắt đảm bảo sự ổn định của bề mặt cơng tác và làm đường thơng cho đất cát sau khi được khoan đào vận chuyển ra phía sau. Do đĩ khi dùng khiên kiểu đào cơ giới, áp lực đất, dung dịch vữa áp lực, cần căn cứ vào trạng thái đất, cát đào ra mà định.
Trong khiên cĩ khí nén cục bộ, dung dịch vữa áp lực, cân bằng áp lực đất, do áp lực trong miệng cắt cao hơn áp lực thơng thường trong hầm. Cho nên ở vành miệng cắt cịn cần đặt bản ngăn kín và cửa ván ra vào cho người.
Hình 5.7 Vành miệng cắt
Vịng đỡ : là kết cấu chủ thể của khiên, là giá đỡ cho tồn bộ tải trọng tác dụng lên khiên. Nĩ gắn sát với vịng miệng cắt, nằm ở phần giữa của khiên thơng thường là kết cấu hình trịn cĩ độ cứng rất tốt. Áp lực địa tầng, tồn bộ phản lực của kích và lực cản miệng cắt tiến vào đất mặt trước, tải trọng lắp ráp vỏ hầm đều do vịng đỡ chịu đựng. Phía ngồi vịng đỡ cĩ lắp kích khiên, khoảng giữa cĩ lắp đặt máy lắp ráp và thiết bị thủy lực, thiết bị động lực, sàn thao tác điều khiển. Khi áp lực vịng miệng cắt lớn lhơn áp lực bình thường, trong vịng đỡ cần bố trí khoang người đi tăng, giảm áp.
Đuơi khiên : thường cấu thành bởi tấm thép vỏ ngồi khiên kéo dài, chủ yếu dùng để bảo vệ cho cơng tác lắp ghép các tấm vỏ hầm. Cuối đoạn đuơi khiên cĩ trang bị làm kín, để ngăn nước, đất và vật liệu bơm vào trong khiên từ khoảng giữa của đuơi khiên và vỏ hầm. Khi trang bị làm kín đuơi khiên bị hư hỏng hoặc mất tác dụng trong lúc đang thi cơng cần phải thỏa mãn các hạng mục cơng việc nĩi trên.
1. Phiến ống vỏ hầm; 2. Đuơi khiên; 3. Tấm thép; 4. Cao su tổng hợp; 5. Cao su cloropren; 6. Keo bọt; 7. Cao su ammonium
1
2 3
5 4
Hình 5.9 Thiết bị bịt kín 3 cấp sau đuơi khiên
1. Đuơi khiên; 2. Bịt kín bắng bàn chải thép; 3. Tấm thép; 4. Cao su nhân tạo; 5. Tấm phịng hộ.
Cơ cấu đẩy tiến khiên :
Động lực đẩy tiến của khiên khi đào dựa vào cơ cấu đẩy tiến được tạo thành bởi hệ thống thủy lực dẫn động nhiều kích cùng làm việc.
Máy lắp ghép tấm ống :
Máy lắp ghép tấm ống thường dùng thủy lực làm động lực, để cĩ lắp ghép tấm ống vỏ hầm vào vị trí cần thiết một cách an tồn, nhanh chĩng, máy lắp ghép sau khi đã kẹp lấy tấm ống lên cịn phải cĩ khả năng đưa ra kéo vào theo đường kính, dịch ngang trước sau và quay 360o.
Bộ đảm bảo độ trịn :
Khi khiên tiến về phía trước, ống vỏ hầm thốt ra khỏi đuơi kiên, dưới tác dụng của tự trọng và áp lực đất sẽ sinh ra biến dạng. Khi lượng biến dạng này rất lớn thì phần ống đã ghép xong và phần ống đang lắp ghép sẽ sinh ra cao thấp
khác nhau làm cho việc lắp bulơng hướng dọc sẽ khĩ khăn. Để khắc phục hiện tượng ống ghép cĩ cao độ khơng bằng nhau, cần phải làm cho ống ghép đảm bảo độ trịn, thiết bị làm việc này là bộ đảm bảo độ trịn. Phía trên và dưới cĩ giá đỡ hình vịng cung, giá này trên dầm rút ra khỏi thân xe động lực là cĩ thể trượt được. Khi một vành ống ghép xong thì đưa bộ đảm bảo độ trịn đến chỗ đĩ, kích trên cột đỡ sẽ làm cho mặt cung của giá đỡ ép sát vào mặt tấm ống, sau đĩ khiên cĩ thể tiến về phía trước. Sau khi khiên tiến lên, dưới tác dụng của bộ đảm bảo độ trịn, vành trịn khơng dễ sinh ra biến dạng mà đảm bảo trạng thái trịn.
Hình 5.10 Máy lắp ráp hình vành trịn
1. Mâm quay; 2. Bánh quay che chống; 3. Cánh tay co duỗi hướng đường kính; 4. Cánh tay co duỗi dọc hướng; 5. Cánh tay nâng; 6. Mĩc cẩu; 7. Khối cân bằng
Hình 5.11 Máy hình trịn xoay
1. Tấm chắn đỉnh hình quạt; 2. Cánh tay chống đỡ; 3. Kích co duỗi; 4. Giá đỡ; 5. Kích trượt hướng dọc
Cĩ rất nhiều chủng loại khiên thích ứng với các loại địa chất khác nhau. Dựa vào đặc điểm cấu tạo và phương pháp đào, cĩ thể qui nạp thành 4 loại sau :
Loại A : khiên dạng miệng thống hoặc gọi là khiên phổ thơng
• Đỡ tồn bộ hoặc một phần mặt chính diện, đào bằng nhân lực hoặc gầu thuận, gầu nghịch
• Mặt chính diện cĩ mâm dao cắt gọt đất hoặc đá mềm.
Loại B : khiên dạng kín ngực phổ thơng hoặc gọi là khiên ép phổ thơng
• Tồn bộ tấm ngực mặt chính bọc kín, ép đẩy tiến, cĩ để diện tích miệng lỗ cho đất vào cĩ thể chỉnh được, ép đẩy tiến cục bộ.
• Thêm ơ lưới chính diện phủ tấm che tồn bộ hoặc một phần, hoặc lắp cửa điều chỉnh diện tích đào ép, ép một phần đẩy
tiến. Loại C : khiên kín ngực dạng cơ giới.
• Trong khoang đĩng kín mặt chính diện tăng áp mâm dao cắt gọt đất : gọi là khiên khí nén một phần.
• Trong khoang bọc kín mặt chính diện lắp trang bị vữa sét hoặc trang bị cân bằng dạng áp lực đất thêm vữa, gọi là khiên cân bằng áp lực đất hoặc khiên cân bằng áp áp lực đất thêm vữa. Gần đây, lại xuất hiện các chủng loại khiên cơ giới hĩa : khiên hình chữ nhật, khiên nối khớp, khiên hai ống, khiên phức hợp, ...
Loại D : khiên TBM
Máy đào hầm (Tunnel Boring Machine - TBM) dùng trong tầng đá cứng (qu>50MPa) chia làm 2 kiểu : kiểu mở và kiểu bọc kín, phần cắt gọt chính diện của khiên là mâm dao phức hợp gồm : mâm dao lớn và các dao lăn.
Bảng 5.2 Bảng phân loại khiên áp dụng trong các địa tầng thích ứng Phương thức đào Đào bằng thủ cơng Loại cấu tạo ngực trần ngực Tên của khiên khiên phổ thơng khiên cĩ mái che khiên cĩ lưới ơ vuơng khiên nửa dập ép Biện pháp ổn định mặt đào kích che chống bằng tấm chắn tạm thời
chia mặt đào ra mấy lớp lợi dụng gĩc nghỉ của cát và ma sát mái che
lợi dụng ma sát giữa đất và lưới ơ vuơng cứng
tấm chắn cĩ lỗ cục bộ, đưa vào kích đầy cát tự nhiên lọt vào
Địa tầng thích ứng địa tầng ổn định hoặc mềm yếu đều được đất cát bùn sét đất sét mềm nặn được Ghi chú với sự hỗ trợ của khí nén, hạ nước ngầm bằng giếng kim thủ cơng và biện pháp gia cố địa tầng khác kín khiên dập ép tồn bộ khiên cĩ gầu tấm chắn trước khơng cĩ lỗ, đất khơng lọt vào
khiên cĩ lắp gầu đào nghịch điều bùn
đất cứng chắc,
Đào nửa ngực nghịch khiển bằng tay cĩ tự ổn định
biện pháp bổ trợ cơ giới trần khiên quay
vịng
khiên cĩ mâm
khiên điều khiển bằng tay cĩ lắp máy đào đá mềm
mâm một dao cộng thêm tấm lắp
đá mềm
đá mềm ngực dao quay nhiều dao
biện pháp bổ trợ Đào tồn bộ bằng cơ giới trần khiên cĩ cắm dao khiên dùng khí nén cục bộ khiên nén bùn và nước ngực kích đẩy tấm chắn giữ đất tầng đất cứng giữa tấm chắn mặt và tấm ngăn tầng ngậm nước cĩ gia khí nén tầng lũ tích, giữa tấm chắn mặt và tấm ngăn tầng xung tích cĩ khí nén bùn và nước cĩ chứa nước bảo đảm cân bằng giữa áp lực
khơng cần biện pháp bổ trợ kín khiên cân bằng áp lực đất khiên cĩ mạng lưới ơ vuơng
sản sinh của đất cát giữa tấm chắn mặt và tấm ngăn và áp lực địa tầng chỗ đào
tấm chắn mặt cĩ mạng lưới ơ vuơng, khối đất đi qua mạng lưới ơ vuơng dồn vào khiên.
bùn, bùn lẫn cát
bùn
Chọn loại khiên căn cứ theo tính quan trọng như sau :
- Điều kiện địa chất, tính chất đá (kháng ép, kháng kéo, đường kính hạt,...)
- Mặt đào ổn định (tính năng tự đứng).
- Độ vùi sâu của hầm, mực nước ngầm.
- Mặt cắt thiết kế của hầm.
- Điều kiện mơi trường, các cơ sở dọc tuyến (đường ống, vật kiến trúc gần kề và đặc tính kết cấu của chúng)
- Loại vỏ hầm.
- Thời gian thi cơng.
- Giá thành.
- Phương pháp bổ trợ thích hợp.
- Tuyến thiết kế dạng tuyến, độ dốc.
- Điều kiện về cấp điện và các thiết bị khác.
Căn cứ điều kiện địa chất để tuyển chọn loại hình khiên :
Đối với loại địa tầng đất pha cát cĩ tính tự đứng kém, cần cố gắng sử dụng loại khiên kiểu bọc kín để thi cơng, nếu là tầng đất pha cát cĩ nước ngầm khá dồi dào và cĩ tính thấm nước tốt thì nên ưu tiên xét đến việc sử dụng khiên dung dịch vữa, đối với đất sét thì cĩ thể ưu tiên xét đến khiên cân bằng áp lực đất, địa tầng cuội sỏi và đá mềm,... cĩ cường độ tương đối cao, tính ổn định tương đối tốt, cần xét đến khiên dạng bán cơ giới hoặc dạng cơ giới miệng thống. Trong điều kiện giống nhau, khiên phức tạp sẽ thao tác khĩ khăn, giá thành cao, ngược lại khiên giản đơn thì chế tạo sử dụng thuận tiện, giá thành thấp.
Đối mặt với điều kiện nước ngầm, nếu trị số áp lực tương đối lớn (>0.1MPa) thì nên ưu tiên xét đến khiên dạng bọc kín để đảm bảo an tồn cơng trình. Điều kiện cho phép cũng cĩ thể dùng một số phương pháp bổ trợ như giảm mức nước hoặc dùng khí nén, ...
Nếu đường kính cuội sỏi khá lớn, trừ địa tầng cĩ tính ổn định tương đối tốt, cĩ thể xét dùng khiên đào thủ cơng hoặc khiên nửa cơ giới, thơng thường nên dùng khiên cân bằng áp lực đất. Nếu cần dùng khiên nước bùn cân bằng, thì tăng thêm 1 máy nghiền đá. Trước lúc thải vữa cần nghiền các cục đá to trước.
5.2.3 Nguyên lý cơ bản của thi cơng hầm bằng khiên đào
Khiên là một loại kết cấu ống thép hoạt động dưới sự che chống áp lực địa tầng lại cĩ thể hoạt động tiến lên trong địa tầng. Đoạn đầu ống cĩ thiết bị che chống và đào đất, đoạn giữa của ống được lắp các kích đẩy cho máy tiến lên, đuơi của ống cĩ thể lắp các ống bêtơng vỏ hầm đúc sẵn hoặc các vành thép để đổ bêtơng vỏ hầm. Mỗi lần khiên tiến lên cự ly 1 vịng, thì sẽ lắp đặt (hoặc đổ tại chỗ) một vịng vỏ hầm dưới sự che chống của khiên, đồng thời người ta sẽ ép vữa xi măng cát vào khe hở đằng sau lưng các vịng bêtơng để đề phịng hầm và mặt đất lún xuống. Phản lực đẩy khiên tiến lên do vịng bêtơng vỏ hầm chịu đựng. Trước lúc thi cơng bằng khiên cần xây dựng một giếng đứng, lắp ráp khiên cũng tại giếng đứng, đất đá do khiên đào xong được đưa qua giếng đứng ra ngồi mặt đất
Hình 5.12 Phương pháp thi cơng hầm bằng khiên đào
1. Khiên; 2. Kích của khiên; 3. Mạng lưới ơ vuơng trước mặt khiên;
4. Mâm quay đưa đất đá ra; 5. Băng vận tải đất đá ra; 6. Máy lắp ráp các phiến ống; 7. Phiến ống; 8. Bơm phun vữa; 9. Lỗ phun vữa; 10. Máy chở đất đá ra; 12. Phun vữa vào khe hở sau đuơi khiên; 13.Các phiến ống dự trữ phía sau; 14. Giếng đứng
Trình tự thi cơng đường hầm trong đất yếu bằng khiên đào như sau:
CƠNG TÁC CHUẨN BỊ
THI CƠNG GIẾNG ĐỨNG KIỂM TRA LẮP RÁP KHIÊN VẬN CHUYỂN PHIẾN VỎ HẦM ĐAØO HẦM VẬN CHUYỂN ĐẤT LẮP RÁP VỎ HẦM PHỤT VỮA SAU VỎ HẦM THI CƠNG LỚP CÁCH NƯỚC THI CƠNG VỎ HẦM LẦN 2 NẾU CĨ HOAØN THIỆN
5.2.3.2Máy đào và phương pháp thi cơng khiên cân bằng áp lực đất (Earth Pressure Balanced Shield – EPB Shield)
Hình 5.15 Sơ đồ hệ thống thi cơng bằng khiên cân bằng áp lực đất
Hình 5.16 Sơ đồ cấu tạo của 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 cĩ hiệu quả sự ổn định của bề mặt đào đất, giảm được độ lún của mặt đất, trong thi cơng thì dễ dàng thao tác và cĩ tính an tồn cao.
Xe khiên ở trong tầng đất lợi dụng sự bố trí lực bĩc gọt của mâm dao để tiến hành gọt đất. Đất được bào gọt theo các rãnh của mâm dao vào thùng chứa đất. Thơng qua hệ thống xử lý bùn đất, tiến hành cải thiện đất được bào gọt chứa đầy trong khoang chứa đất, làm cho đất cĩ độ dẻo chảy tốt. Thơng qua việc khống chế tốc độ vịng quay vít vơ 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 nĩi chung khơng dùng các biện pháp kỹ thuật bổ trợ, bản thân đã cĩ thể cải tiến tính năng của đất, thơng qua việc cải tạo các loại đất, cĩ thể thích hợp với yêu cầu của nhiều loại địa tầng và nhiều loại mơi trường. Cĩ 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 vơ 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 cĩ độ lưu động tốt lấp đầy thùng chứa và ống vận chuyển kiểu vít vơ tận, làm cho bề mặt cơng tác ổn định.
Nguyên lý cơng tác :
Đẩy xe khiên đào kiểu cân bằng áp lực đất là sử dụng mâm dao được lắp ở đầu xe với tồn bộ mặt cắt bào gọt, tồn bộ bùn đất được bào gọt ở mặt chính chui vào
hịn kín ở phía sau mâm dao, làm cho thùng đất cĩ 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 đĩ khống chế biến dạng ở mặt đất. Khi xả bùn đất do máy vận chuyển đường ống kiểu vít vơ tận lắp ở phía dưới thùng chứa đất theo cửa xả đất liên tục xả bùn đất ra ngồi.
Khiên cân bằng áp lực đất cĩ đường kính 15.0m (4000T, 160m dài, tốc độ khoan trung bình 0.665m/1 phút) là khiên cĩ đường kính lớn nhất thế giới hiện nay.
5.2.3.3Máy đào và phương pháp thi cơng khiên dung dịch vữa (SlurryShield) Shield)
Máy đào khiên dung dịch vữa thích hợp với địa chất bề mặt hầm cĩ thể được đỡ bằng dung dịch vữa áp lực, cĩ thể ứng phĩ cĩ hiệu quả với các loại địa tầng khĩ khăn và khống chế độ lún sụt của bề mặt đất. Đất đào ra dưới dạng nước bùn được chuyển ra ngồi bằng đường ống, cịn đá cuội sau khi bị nghiền được chuyển đi bằng đường ống hoặc được đưa đi trong quá trình chảy trong ống.