Tổng quan về công nghệ và thiết bị làm đường hầm
Giới thiệu chung về công nghệ và thiết bị làm đường hầm
Đường hầm đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện kết nối giao thông và rút ngắn khoảng cách giữa các khu vực Bằng cách di chuyển giao thông xuống dưới mặt đất, chúng nâng cao chất lượng cuộc sống và tạo ra tác động kinh tế tích cực Việc sử dụng không gian ngầm cho các mục đích như lưu trữ, nhà máy điện, xử lý nước và hệ thống giao thông là cần thiết trong bối cảnh thiếu không gian trên mặt đất, đồng thời đảm bảo an toàn, bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, việc xây dựng đường hầm cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro, chi phí cao và yêu cầu kỹ năng kỹ thuật cao.
Các yếu tố địa chất, đặc biệt là điều kiện của khối nền, luôn quyết định tính khả thi của dự án đường hầm Trước đây, kỹ thuật chỉ cho phép xây dựng các đường hầm ngắn, nhưng nhờ tiến bộ công nghệ, hiện nay có thể xây dựng đường hầm ở bất kỳ đâu khi cần thiết Những lợi ích chính trị và môi trường ngày càng trở thành yếu tố quan trọng, không kém kỹ thuật và địa chất Việc kết nối đường hầm với mạng lưới giao thông hiện có cũng là yếu tố quyết định Do đó, các công trình đường hầm thường phải được xây dựng ở những khu vực địa tầng không lý tưởng, như các vùng đô thị lớn Mặc dù hiện nay khía cạnh địa chất được xem là thứ yếu và có thể giải quyết bằng công nghệ, việc đào hầm trong đất mềm yếu và đá cứng vẫn là thách thức lớn cho ngành xây dựng đường hầm do những rủi ro khó lường.
Hiện nay, có nhiều phương pháp làm đường hầm, được chia thành ba nhóm chính: thi công hở (đào và lấp), thi công kín (ngầm) và thi công hầm dìm (trong nước) Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phụ thuộc vào điều kiện địa chất, hiện trường và khả năng công nghệ Thi công ngầm yêu cầu tạo ra một không gian đủ lớn để lắp đặt công trình thiết kế, trong khi quá trình đào đất đá đòi hỏi sự cơ giới hoá cao để tách và chuyển đất đá ra bãi thải Việc lựa chọn phương pháp và công nghệ thi công đất đá phụ thuộc vào các tính chất của chúng như độ cứng, độ dai, độ đàn hồi và độ nứt nẻ Để thực hiện điều này, cần phân loại đất đá dựa trên sức kháng khoan, được biểu thị qua độ dịch chuyển của lỗ khoan trong một đơn vị thời gian trong điều kiện tiêu chuẩn.
Trong xây dựng hầm ngầm, cơ giới hoá các công tác ngầm đóng vai trò quan trọng Để giải quyết các vấn đề phức tạp, người ta đã trang bị cho khiên đào, máy khoan hầm toàn tiết diện và các thiết bị cơ giới Nhờ những thiết bị này, toàn bộ quá trình thi công, từ việc bóc tách đất đá ra khỏi khối địa tầng đến việc vận chuyển, đều được thực hiện một cách cơ giới hoá.
Hầm đang được xây dựng liên tục trên toàn cầu với sự đa dạng về nhà đầu tư và mục đích sử dụng Do đó, bất kỳ thống kê nào cũng chỉ có thể cung cấp thông tin gần đúng về thực trạng Dưới đây là danh sách một số công trình hầm nổi tiếng.
Các hầm lâu đời nhất
Hầm Eupalinos (Samos, 500 TCN) 1 km
Urner Loch (1707, là hầm qua núi An-pơ đầu tiên ở Thụy
Mont-Cenis (Pháp-Italia, 1857-1870, cũng gọi là hầm
Hầm đường sắt St Gotthard (Thụy Sỹ, 1872-1878) 15 km
Các hầm dài nhất (tính đến thời điểm 2005)
Hầm qua eo biển Măng-Sơ (Anh-Pháp, 1986-1993) 50 km
Simplon I (Thụy Sỹ - Italia, 1898-1906) 20 km
Hầm Gotthard mới (Thụy Sỹ, 1969-1980) 16 km
Các hầm đường sắt qua dãy An-pơ đang xây dựng
Các hệ thống metro lớn (tính đến thời điểm 2005)
Với 57 km chiều dài, hầm đường sắt Gotthard mới của Thụy Sỹ đi xuyên dưới chân núi An-pơ sẽ trở thành hầm dài nhất trên thế giới, sẽ được hoàn thành vào năm 2015 Ở Tây Ban Nha, hầm đường sắt đôi Guadarrama đang được đào bằng bốn máy khoan hầm TBM (hai máy của hãng Herrenknecht và hai máy của Wirth) qua địa chất đá cứng (gơnai và granit) và đôi khi có cả các đoạn đất yếu
Dự án hầm qua eo biển Gibraltar, nối liền Bồ Đào Nha và Ma-rốc, đang trong giai đoạn khảo sát và đã tổ chức nhiều hội nghị để thảo luận về thiết kế và thi công Hiện tại, công tác chuẩn bị cho dự án vẫn đang được tiến hành.
Khu vực châu Mỹ đã chứng kiến sự gia tăng đáng kể trong việc phát triển hệ thống tàu điện ngầm và hầm ngầm Các quốc gia phát triển như Singapore, Thái Lan, Malaysia, Đài Loan, Hàn Quốc, Ấn Độ và một số nước Trung Đông như Iran, Thổ Nhĩ Kỳ cũng đã xây dựng những công trình ngầm ấn tượng Đặc biệt, để phục vụ cho hệ thống tàu cao tốc Shinkansen, Nhật Bản đã xây dựng nhiều hầm, trong đó hầm Daishimizu dài 22,2 km là dài nhất Tính đến tháng 4 năm 2000, tổng chiều dài các hầm đường bộ tại Nhật Bản đã đạt 2575 km.
Lĩnh vực xây dựng đường hầm đã trải qua một quá trình phát triển lâu dài, đặc biệt vào cuối thế kỷ 20, khi công nghệ thi công hầm có bước tiến đáng kể với sự ra đời và ứng dụng rộng rãi của máy khoan hầm toàn tiết diện (TBM - Tunnel Boring Machine).
Hiện nay, nghiên cứu và thiết kế thiết bị thi công đường hầm đang phát triển đa dạng với nhiều loại thiết bị như máy đào, thiết bị đào liên hợp (roadheader), thiết bị thuỷ lực và thiết bị khoan hầm toàn tiết diện Đặc biệt, thiết bị thi công đường hầm nhỏ rất quan trọng trong việc xây dựng hệ thống ống nước, ống dẫn khí, cáp điện và cáp viễn thông, chủ yếu được phát triển ở châu Âu, Mỹ và Nhật Bản Một số hãng nổi tiếng trong lĩnh vực này bao gồm Herrenknecht, RobbinTBM, Lovat và Akkerman Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc áp dụng công nghệ khoan hầm toàn tiết diện TBM còn hạn chế, chỉ được sử dụng trong một số dự án như thủy điện Đại Ninh và dự án vệ sinh môi trường kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè, trong khi hầu hết các dự án đường hầm khác vẫn sử dụng phương pháp mỏ và các phương pháp đặc biệt khác.
Giới thiệu một số loại thiết bị thi công đường hầm toàn tiết diện tiên tiến:
EPB SHIELD S-300 (Herrenknech) Đường kính khoan lớn nhất: 15200mm
Công nghệ: hai bánh cắt độc lập, ba vít tải
Công suất điều khiển: bánh cắt ngoài
12000kW/bánh cắt trong 2000kW
Tổng chiều dài: 3500m Địa chất: đất sét, đất sét nhiều cát, đất đá vôi
Lực tại trạm đẩy: 315880kN tại 400bar
Mô men xoắn cực đại: 125268kNm Hình 1.1- Máy khoan hầm S-300
Máy khoan hầm AVN 250-700(Herrenknech)
Bảng thông số kỹ thuật máy khoan hầm nhỏ AVN 250-700
AVN250XC AVN300XC AVN400X
TC MR TC MR TC MR TC MR TC MR TC MR Đường kính ngoài của máy (OD)-mm 368 410 410 565 565 665 665 780 780 875 975 975
Chiều dài phần chinh máy Las(mm) 1400 1450 1450 2150 2100 2500
Chiều dài phần nối máy Lmc(mm) 1200 1200 1200 2000 2000 2000 Đường kính ngoài ống(POD)-mm 360 400 400 550 550 650 650 760 760 860 860 960 Đường kính trong ống(PID)-mm 250 300 300 400 400 500 500 600 600 700 700 800
Mô men xoắn cực đại
Lực mỗi chu kì/áp lực dầu (KN/bar) 116/500 245/500 245/500 311/500 311/500 393/500 Khoảng chạy mỗi chu kì(mm) 10 15 15 25 25 30
Máy khoan hầm AVN-TB(Herrenknech)
Bảng thông số kỹ thuật máy khoan hầm nhỏ AVN 1200-1800 TB
AVN1200TB AVN1400TB AVN1500T
TC MR TC MR TC MR TC MR TC MR TC MR Đường kính ngoài của máy (OD)-mm 1505 1810 1740 1970 1810 2150 1970 2150 1970 2150 2150 2425
Tổng khối lượng máy W(kg) 13000 17000 2200 2400 2500 2900
Chiều dài phần chinh máy Las(mm) 3750 3750 3800 3900 4200 4200
Chiều dài phần nối máy Lmc(mm) 3200 3200 3200 3200 3200 3200 Đường kính ngoài ống(POD)-mm 1490 1790 1720 1940 1790 2120 1940 2120 1490 2120 2120 2400 Đường kính trong ống(PID)-mm 1200 1500 1400 1600 1500 1600 1600 1800 1600 1900 1900 2000
Mô men xoắn cực đại (KNm) 259 259 474 474 431 554
Lực mỗi chu kì/áp lực dầu (KN/bar) 752/600 752/600 1000/500 1006/500 1005/600 1272/500
Khoảng chạy mỗi chu kì(mm) 60 60 60 60 60 100
TC - Tiêu chuẩn ; MR - Mở rộng
Máy khoan hầm nhỏ TCS(Iseki Microtunnelling)
Bảng thông số kỹ thuật máy khoan hầm nhỏ TCS
1350 Đường kính bình thường (ID)- mm 300 450 600 800 900 1000 1200 1350 Đường kính ngoài(OD)-mm 432 604 790 980 1100 1220 1470 1620 Chiều dài (mm) 2474 2937 2990 3000 3280 3535 4390 4200 Chiều dài modul (mm) 1250 1050 1045 1255 1425 2150 3190 3000
Kích thước dài trục chính(mm) 2700 3250 3500 3500 3750 4000 4750 4750
Kích thước dài trục nối(mm) 1750 2500 2000 2000 2500 3000 3750 3750 Tổng trọng lượng(ton-T) 1180 2060 3900 6100 7900 9800 15100 17200 Tốc độ vòng quay-rpm (50hz)
Mô men xoắn Max(50hz)
3.0 14.1 11.9 11.9 10.2 10.2 6.0 68.6 2.5 16.9 14.2 14.2 14.2 12.2 7.3 103 Công xuất động cơ (KwxNo) 3.7 11 18.5 30 37 45 30X2 30X2
Thiết bị khoan hầm nhỏ(Robbin)
Bảng thông số kỹ thuật máy khoan hầm nhỏ SBU-A
Kí hiệu Đường kính D (mm)
Kích thước đĩa cắt (mm)
Mô men xoắn max (N-m) Lực đẩy max (KN)
Kích thước trục lục giác (mm) SBU-A 24 660 9 165 7,865-10,575 200-400 102 hoặc 77
SBU-A 48 1270 19 165;241;292 33355-46610 420-840 127 hoặc 102 SBU-A 54 1420 21 165;241;292 41490-55460 470-940 127 hoặc 102 SBU-A 60 1570 14 165;241;292 51800-69000 830-1560 127
Thông số kỹ thuật chung:
- Đường kính máy khoan hầm: 600 tới 1800mm
- Độ cứng của đá: 25 tới 175 Mpa
Hình 1.4 - Thiết bị khoan hầm nhỏ SBU-A (Robbin)
Nghiên cứu về công nghệ và thiết bị làm đường hầm toàn tiết diện, đặc biệt là trong bối cảnh xây dựng không gian ngầm tại các đô thị đông dân cư, là rất cần thiết Việc phân tích ưu nhược điểm và thông số kỹ thuật của các thiết bị này giúp xác định các yêu cầu khắt khe cho hệ thống đường hầm nhỏ, từ đó đáp ứng nhu cầu cấp thiết của việc phát triển hạ tầng đô thị.
Mục tiêu và giới hạn nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm trong đất đá, đặc biệt là công nghệ khoan hầm nhỏ toàn tiết diện, ứng dụng công nghệ kích đẩy để lắp đặt các đường ống tiết diện tròn Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến máy khoan hầm toàn tiết diện nhỏ và xác định các thông số làm việc hợp lý cơ bản để tối ưu hóa hiệu suất của máy.
Nghiên cứu tổng quan về công nghệ và thiết bị xây dựng đường hầm trong đất đá
Nghiên cứu về công nghệ và thiết bị xây dựng đường hầm nhỏ trong đất đá ở thành phố bằng máy khoan hầm toàn tiết diện nhỏ
Xác định thông số hợp lý cho thiết bị làm đường hầm toàn tiết diện nhỏ (Microtunnel Boring Machine - MTBM) là rất quan trọng trong việc thi công các đường hầm nhỏ có đường kính D≤ 3.0(m) trong điều kiện đất đá tại thành phố Việc lựa chọn các thông số phù hợp không chỉ đảm bảo hiệu quả thi công mà còn tối ưu hóa chi phí và thời gian thực hiện dự án.
Tính toán các thông số của máy hầm kích nhỏ MTBM dùng để xây dựng đường hầm nhỏ đường kính D!50mm trong hỗn hợp đất đá cứng ở độ sâu H m
Kết luận chương 1: Như vậy, thông qua chương này rút ra một số kết luận như sau:
Ngành đường hầm đã phát triển lâu dài và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cấp nước, thoát nước, và các hệ thống ống dẫn khí, điện, điện thoại, hơi dầu, cũng như các công trình kỹ thuật khác Ngoài ra, đường hầm còn là một phần thiết yếu trong hệ thống giao thông hiện đại.
Cùng với sự phát triển của ngành đường hầm, công nghệ và thiết bị thi công cũng đã có những bước tiến vượt bậc Các phương pháp xây dựng đường hầm đã chuyển từ thủ công sang hiện đại, với sự ra đời của máy khoan hầm toàn tiết diện (TBM), mang lại hiệu quả và độ chính xác cao hơn trong quá trình thi công.
Việc chọn lựa công nghệ và thiết bị cho xây dựng đường hầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước, tiết diện, chiều dài, độ sâu và hình dạng của hầm Bên cạnh đó, vị trí xây dựng hầm, bao gồm việc thi công trong thành phố, qua núi, sông hoặc biển, cũng ảnh hưởng đáng kể đến quyết định này Cuối cùng, điều kiện địa chất của khu vực xây dựng là một yếu tố quan trọng không thể bỏ qua.
Hầu hết các đô thị toàn cầu đang phải đối mặt với những thách thức nghiêm trọng như ô nhiễm môi trường, tắc nghẽn giao thông và gia tăng dân số Do đó, việc nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm toàn tiết diện TBM, đặc biệt là công nghệ khoan hầm toàn tiết diện nhỏ kết hợp với công nghệ kích đẩy, là rất cần thiết để xây dựng những đường hầm nhỏ, mang lại ý nghĩa thực tiễn lớn cho sự phát triển đô thị.
Nghiên cứu về máy khoan hầm toàn tiết diện (TBM) cho thấy công nghệ này có thể áp dụng hiệu quả tại Việt Nam, nơi nhu cầu phát triển đường hầm ngày càng gia tăng, đặc biệt là ở các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh và Đà Nẵng Việc nghiên cứu công nghệ và thiết bị thi công đường hầm, đặc biệt là các đường hầm nhỏ theo kỹ thuật đào kín trong đô thị, mang lại ý nghĩa thực tiễn quan trọng và cấp thiết Chi tiết về công nghệ và thiết bị thi công đường hầm trong đất đá sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2.
Nghiên cứu về công nghệ và thiết bị làm đường hầm
Các phương pháp làm đường hầm
Phương pháp đào hầm và công nghệ xây dựng đường hầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như địa chất, vị trí, chiều dài, hình học và truyền thống địa phương Hiện nay, có nhiều phương pháp đào hầm, được phân chia thành ba nhóm chính: phương pháp đào và lấp (đào hở), đào kín, và phương pháp hầm dìm (đối với hầm thi công trong nước).
Mỗi phương pháp thi công đều có ưu và nhược điểm riêng, và việc áp dụng hợp lý phụ thuộc vào điều kiện địa chất, hiện trường và khả năng công nghệ Bài viết này sẽ giới thiệu một số phương pháp thi công phổ biến hiện nay theo kỹ thuật đào kín, bao gồm phương pháp hầm mỏ truyền thống, phương pháp xây dựng hầm mới của Áo (New Austrian Tunnelling Method - NATM), phương pháp cơ giới và phương pháp kích đẩy.
Phương pháp hầm mỏ truyền thống
Phương pháp mỏ là kỹ thuật liên quan đến ngành công nghiệp khai khoáng, bao gồm việc đào hang truyền thống bằng phương pháp khoan nổ mìn trong đá cứng Sau đó, các vỏ hầm chống tạm được xây dựng, tiếp theo là xây dựng vỏ hầm vĩnh cửu để đảm bảo an toàn và ổn định cho các hoạt động khai thác.
Phương pháp mỏ bao gồm việc đào hầm và dựng các vì chống tạm bằng gỗ hoặc thép để ổn định đất đá xung quanh trước khi thi công kết cấu vỏ hầm Sau khi hoàn tất việc đào hầm, kết cấu vỏ hầm sẽ được thi công bằng cách đổ bê tông hoặc xây đá theo từng phân đoạn Trước khi đổ bê tông, vỏ hầm thường được xử lý chống nước bằng lớp bao tải tẩm nhựa đường hoặc giấy dầu, mặc dù một số công trình không thực hiện bước này Khi bê tông đạt cường độ cho phép, vữa sẽ được bơm vào phía sau vỏ hầm để tạo liên kết chặt chẽ với đất đá xung quanh Trong trường hợp đào lẹm quá lớn, có thể chèn thêm đá để tiết kiệm vật liệu vữa bơm.
Phương pháp thi công hầm này không tạo ra sự liên kết chặt chẽ giữa vỏ hầm và địa tầng, do đó thiết kế vỏ hầm được tính toán dựa trên giả thiết rằng sau khi đào, đất đá xung quanh sẽ biến dạng và tác động lên vỏ hầm như một tải trọng Quá trình biến dạng này sẽ dẫn đến nứt vỡ đất đá cho đến khi hình thành một vòm cân bằng phía trên và hai mặt trượt ở hai bên, gọi là vòm áp lực Toàn bộ khối lượng đất đá dưới vòm cân bằng và trên mặt trượt sẽ tác động lên vỏ hầm.
G.S Protodiakonov đã đưa ra mô hình rời rạc áp dụng vào phương pháp xác định vòm cân bằng và mặt trượt để tính toán áp lực lên vỏ hầm Kích thước vòm cân bằng phụ thuộc vào kích thước hầm và đặc điểm của địa tầng thông qua hệ số kiên cố f được xác định bằng thí nghiệm nén mẫu đất đá (f R/100) và từ đó địa tầng được phân loại thành 10 cấp theo hệ số kiên cố Việc xác định áp lực địa tầng là một vấn đề hết sức phức tạp vì đặc điểm không đồng nhất của đất đá nên để đảm bảo an toàn phải coi đất đá là rời rạc và sự khác nhau chỉ thể hiện qua hệ số kiên cố Với quan niệm như vậy giữa địa tầng và vỏ hầm sẽ không có sự tác động tương hỗ nên vỏ hầm thường có kích thước lớn làm tăng giá thành công trình Do vậy, vấn đề đặt ra là làm sao để có thể hạn chế áp lực do sự biến dạng, nứt vỡ, rời rạc của địa tầng và làm sao có thể tạo ra thể thống nhất giữa vỏ hầm và địa tầng Đa số các công trình ngầm được thiết kế và xây dựng trong đất đá cứng Việc làm tơi đất đá trong quá trình đào hang được thực hiện chủ yếu bằng công tác khoan nổ: khoan vào địa tầng những lỗ khoan có đường kính khác nhau, nạp thuốc nổ để phá vỡ và đập nhỏ đất đá theo mong muốn Theo thống kê cho đến nay việc phá đá bằng khoan nổ mìn chiếm 95% khối lượng đào đất đá ngầm Điều đó chứng tỏ đây là phương pháp khá hiệu quả, đơn giản thực tế trong việc xây dựng hầm
Ngày nay, ngành công nghiệp hóa chất đã phát triển các loại thuốc nổ với tính năng đa dạng, đáp ứng hiệu quả cho công tác nổ mìn trong nhiều điều kiện địa chất khác nhau.
Công tác nạp mìn có hai dạng chính : Nạp tập trung chiều dài nhỏ hơn 4-
Trong xây dựng ngầm, phương pháp nạp kéo dài thường được áp dụng với đường kính lỗ khoan nhỏ hoặc lớn, với tỷ lệ đường kính và nạp kéo dài lớn hơn 4-5 lần Khi nổ một khối thuốc, phễu nổ được hình thành, có các thông số cơ bản như đường khoan nhỏ nhất W và bán kính phễu nổ r Hiệu quả tác dụng n của nổ được tính bằng công thức n = r/W.
Khi n>1 gọi là nổ mìn tăng cường: đá nổ ra có độ văng khá lớn
Khi n=1 gọi là tác dụng nổ mìn tiêu chuẩn, đặc trưng bằng việc đã nổ ra được đập vỡ hết và văng không đáng kể
Còn khi n
