Phụ lục D – Máy khoan hầm (TBM)

D.1 Giới thiệu

Máy khoan hầm (TBM) là một hệ thống phức tạp gồm thân chính và các bộ phận hỗ trợ khác, bao gồm các cơ cấu để cắt, xúc dọn, điều hướng, bám giữ, chống đỡ, khoan thăm dò, chống đỡ nền, chống đỡ và lắp dựng vỏ hầm, loại bỏ đất đá đào (muck), thông gió và cấp điện. Hình 6-11 trình bày phân loại chung các loại máy khoan hầm dùng cho đá cứng và nền đất mềm.

Phụ lục này nhằm trình bày các bộ phận và trình tự đào của các loại máy đào hầm TBM phổ biến, áp dụng cho điều kiện đá cứng và nền đất yếu. Nhóm tác giả trân trọng cảm ơn Karin Bäppler và Michael Haßler thuộc Herrenknecht AG (Herrenknecht), và Lok Home thuộc The Robbins Company (Robbins) đã hào phóng cung cấp các hình minh họa, hình ảnh và thông tin tuyệt vời về các ứng dụng TBM đường kính lớn.

D.2 TBM đá cứng

Như thể hiện trong Hình 6-11 ở trên, các máy đào hầm TBM phù hợp cho thi công hầm trong đá hiện nay là các máy đào toàn tiết diện, kiểu quay với đầu cắt. Chúng có thể được phân loại chung thành hai nhóm: loại Gripper và loại Segment, dựa trên lực phản lực của máy. Ba loại TBM đá cứng phổ biến được mô tả dưới đây:

• Open Gripper Main Beam TBM (loại Open Gripper)
• Single Shield TBM (loại Closed Segment-Shield)
• Double Shield TBM (loại Closed Gripper/Segment-Shield)

D.2.1 Open Gripper Main Beam TBM

Nhóm TBM dạng open gripper-beam phù hợp với đá ổn định đến đá dễ vụn, có các vùng nứt nẻ cục bộ và dòng nước ngầm có thể kiểm soát. Hình D-2 (Robbins) minh họa sơ đồ điển hình của một TBM open gripper main beam hiện đại và nêu bật các bộ phận chính, bao gồm:

• Đầu cắt (có disc cutters) và Front Support
• Main Beam
• Xi lanh đẩy
• Gripper
• Rear Support
• Băng tải
• Hệ thống trailing backup để vận chuyển muck và vật liệu, thông gió, cấp điện, v.v.

Phần đầu của gripper TBM là một đầu cắt quay, có đường kính phù hợp với đường kính hầm (Hình D-3). Đầu cắt giữ các dao cắt dạng đĩa. Khi đầu cắt quay, các xy lanh thủy lực đẩy dao cắt vào đá. Lực đẩy lớn này truyền qua các dao cắt đĩa đang lăn, tạo ra các vết nứt trong đá, làm các mảnh đá vỡ ra khỏi gương hầm (Hình 6-9). Một hệ thống gripper kiểu nổi đẩy ngang vào thành hầm và được khóa cố định trong khi các xy lanh đẩy tiến duỗi ra, cho phép dầm chính tiến TBM về phía trước. Máy có thể được điều hướng liên tục trong khi các guốc gripper ép vào thành hầm để phản lực lại lực đẩy tiến của máy. Các gầu trên đầu cắt quay xúc muck lên và đổ vào băng tải bên trong dầm chính. Sau đó muck được chuyển ra phía sau máy để đưa ra khỏi hầm. Khi kết thúc một hành trình đẩy, các chân sau của máy được hạ xuống, còn các gripper và xy lanh đẩy tiến được thu lại. Việc thu các xy lanh đẩy tiến sẽ định vị lại cụm gripper cho chu kỳ đào tiếp theo. Các gripper được duỗi ra, chân sau được nâng lên, và quá trình đào lại bắt đầu.

Hình D-3 thể hiện phần đầu của máy Herrenknecht S-210 Gripper TBM được sử dụng trong thi công Đường hầm Gotthard Base, Thụy Sĩ. Xem Bảng D-1 để biết thêm dữ liệu về máy này (Herrenknecht). Mặc dù không phổ biến, các máy TBM kẹp giữ trong đá cứng có đường kính trên 46 ft (14.5 m) đã được chế tạo, và giới hạn này đang liên tục được thử thách và mở rộng cho các siêu dự án mới.

D.2.2 TBM khiên đơn (Single Shield TBM)

Ghi chú:
(1) Khiên; (2) xy lanh đẩy; (3) vỏ hầm segment; (4) đầu cắt; (5) gầu xúc đất đá; và (6) băng tải.

Như thể hiện trong Hình D-4, các máy TBM khiên đơn được trang bị khiên hở (mặt đào không điều áp) để xử lý các thành tạo đá giòn hơn hoặc đá mềm. TBM được bảo vệ bởi khiên (1), và được kéo dài, đẩy tiến về phía trước bằng các xy lanh đẩy thủy lực (2) tựa vào vòng segment đã hoàn thành gần nhất (3). Đầu cắt quay (4) được lắp các đĩa cắt đá cứng, lăn trên gương đào, tạo các rãnh trong đá, sau đó làm bong tách các mảnh đá lớn (Hình 6-9). Các gầu xúc đất đá (5), bố trí cách nhau một khoảng phía sau các đĩa cắt, mang các mảnh đá đã bong tách ra phía sau đầu cắt. Vật liệu đào được đưa lên mặt đất bằng băng tải (6).

Hình D-5 minh họa mặt cắt đơn giản của TBM khiên đơn.

Hình D-6 phía trên cho thấy đầu cắt của máy Herrenknecht S-256 Single Shield TBM được sử dụng trong thi công hầm Islisberg, Thụy Sĩ. Khi hoàn thành, đây sẽ là đoạn ngầm dài nhất của tuyến đường tránh phía tây Zurich, giúp chuyển hướng lưu lượng giao thông quá cảnh ra khỏi khu vực trung tâm thành phố Zurich. Đường kính đầu cắt khoảng 38 ft (11.8 m). Xem Bảng D-1 để biết thêm dữ liệu về máy này (Herrenknecht).

D.2.3 TBM khiên đôi (Double Shield TBM)

TBM khiên đôi (Hình D-7) bao gồm một đầu cắt quay được lắp trên kết cấu đỡ đầu cắt, tiếp theo là ba lớp khiên: khiên ống lồng (một khiên trong đường kính nhỏ hơn trượt bên trong khiên ngoài lớn hơn), khiên kẹp giữ và khiên đuôi.

Ở chế độ khiên đôi, các guốc kẹp được kích hoạt, ép vào thành hầm để chịu phản lực từ lực khoan, tương tự như TBM gripper hở. Sau đó, các xy lanh đẩy chính được kéo dài để đẩy kết cấu đỡ đầu cắt và đầu cắt tiến về phía trước. Đầu cắt quay sẽ cắt đá. Khi máy tiến lên, khiên ống lồng cũng kéo dài, giữ toàn bộ các bộ phận trong máy được che phủ và bảo vệ khỏi khối đất đá xung quanh.

Khiên kẹp giữ đứng yên trong quá trình khoan. Một bộ dựng segment được gắn cố định vào khiên kẹp giữ, cho phép các segment vỏ hầm bê tông đúc sẵn được lắp dựng trong khi máy đang khoan. Các segment được lắp trong khu vực an toàn của khiên đuôi. Chính khả năng lắp dựng vỏ hầm đồng thời với quá trình khoan giúp TBM khiên đôi đạt được tốc độ thi công rất cao. Thiết kế khiên bao kín hoàn toàn tạo ra môi trường làm việc an toàn.

Nếu nền đất đá trở nên quá yếu để chịu áp lực từ guốc kẹp, lực đẩy của máy phải được tạo phản lực theo cách khác. Trong trường hợp này, máy có thể vận hành ở “chế độ khiên đơn”. Các xy lanh đẩy phụ được bố trí trong khiên kẹp giữ. Ở chế độ khiên đơn, chúng truyền lực đẩy từ khiên kẹp giữ sang vỏ hầm. Vì lực đẩy được truyền vào vỏ hầm, không thể lắp dựng vỏ hầm đồng thời với quá trình khoan. Ở chế độ khiên đơn, khoan hầm và lắp dựng vỏ hầm là các thao tác thực hiện tuần tự.

Hình D-9 phía trên cho thấy đầu cắt, đường kính khoảng 40 ft (12.2 m), của máy Herrenknecht S-376 Double Shield TBM đang được sử dụng trong thi công Hầm tránh Bắc–Nam Brisbane. Xem Bảng D-1 để biết thêm dữ liệu về máy này (Herrenknecht).

D.3 TBM đất mềm có gương đào điều áp

Như thể hiện ở Hình 6-11 phía trên, nhiều loại máy đào hầm TBM khác nhau phù hợp cho thi công hầm trong đất mềm ở các điều kiện khác nhau. Chương 7 trình bày ngắn gọn lịch sử và sự phát triển của các máy đào hầm khiên. Bảng 7-4 (trình bày lại bên dưới) liệt kê các phương pháp đào hầm bằng khiên trong đất mềm.

Ngày nay, các TBM khiên kín có gương đào điều áp hiện đại được sử dụng chủ yếu trong thi công hầm đường kính lớn trong đất mềm. Mục 7.3 mô tả nguyên lý của hai loại phổ biến: máy cân bằng áp lực đất (EPB) và máy dung dịch bùn (SFM), đồng thời đưa ra các lựa chọn có thể áp dụng giữa EPB và SFM. Phụ lục này trình bày các bộ phận của từng loại TBM và mô tả trình tự thi công.

Bảng 7-4 Các phương pháp đào hầm bằng khiên trong đất mềm (chỉnh sửa từ Hitachi Zosen, 1984)

D.3.1 Máy cân bằng áp lực đất

Như đã trình bày trong Mục 7.3, máy cân bằng áp lực đất (EPB) (Hình D-10) là loại máy khiên đào có gương đào được điều áp, được thiết kế chuyên dùng để thi công trong địa tầng mềm, đặc biệt khi nền đất là đất bụi và có tỷ lệ hạt mịn cao. Các hạt mịn này sẽ hỗ trợ hình thành nút bịt trong băng tải trục vít và giúp kiểm soát dòng nước ngầm chảy vào.

Ghi chú:
(1) Đầu cắt; (2) buồng đào; (3) vách ngăn kín; (4) xy lanh đẩy; (5) băng tải trục vít; (6) bộ dựng segment; và (7) vỏ hầm segment.

Máy EPB liên tục chống đỡ gương đào bằng cách cân bằng áp lực đất và áp lực nước bên trong với lực đẩy của máy. Khu vực làm việc bên trong máy EPB được bịt kín hoàn toàn trước áp lực chất lưu của địa tầng bên ngoài máy.

Như thể hiện trong Hình D-10, đất được đầu cắt (1) đào rời để chống đỡ gương đào. Khu vực của khiên mà đầu cắt quay được gọi là buồng đào (2) và được ngăn cách với phần còn lại của khiên, nơi có áp suất khí quyển, bằng vách ngăn kín chịu áp (3). Đất đào rơi qua các lỗ mở của đầu cắt vào buồng đào và trộn với đất dẻo đã có sẵn tại đó. Sự xâm nhập không kiểm soát của đất từ gương đào vào buồng đào được ngăn chặn vì lực của các xy lanh đẩy (4) được truyền từ vách ngăn kín chịu áp lên đất. Trạng thái cân bằng đạt được khi đất trong buồng đào không còn có thể bị nén thêm bởi áp lực đất và áp lực nước tự nhiên.

Vật liệu đào được lấy ra khỏi buồng đào bằng băng tải trục vít (5). Lượng vật liệu lấy ra được kiểm soát bằng tốc độ quay của băng tải trục vít và tiết diện lỗ mở của bộ truyền động trục vít phía trên. Áp lực trong buồng đào được kiểm soát bằng cách cân bằng tốc độ tiến máy và tốc độ lấy đất ra khỏi buồng đào. Băng tải trục vít vận chuyển vật liệu đào đến băng tải đầu tiên trong chuỗi băng tải. Sau đó, vật liệu đào được vận chuyển bằng các băng tải này đến băng tải đảo chiều, từ đó các toa vận chuyển ở khu vực hậu cần được chất tải khi băng tải được chạy đảo chiều.

Các hầm thường được lắp vỏ hầm bằng segment bê tông đúc sẵn cốt thép (7), được đặt trong điều kiện áp suất khí quyển nhờ bộ dựng segment (6) ở khu vực khiên phía sau vách ngăn kín chịu áp, rồi tạm thời bắt bu lông cố định. Vữa được bơm liên tục vào khe hở còn lại giữa mặt ngoài của segment và môi trường xung quanh thông qua các lỗ bơm ở đuôi khiên hoặc các lỗ mở trực tiếp trên segment.

Có thể vận hành hệ thống EPB bằng tay hoặc tự động thông qua hệ PLC tích hợp và các hệ thống điều khiển bằng máy tính.

Như đã trình bày ở trên, máy EPB chống đỡ gương đào bằng áp lực từ đất đào (và đất đã được nhào trộn lại) bên trong buồng đào và băng tải trục vít. Vì vậy, máy EPB hoạt động hiệu quả hơn khi đất ngay phía trước đầu cắt và trong buồng đào tạo thành một nút đất dẻo, giúp ngăn dòng nước chảy vào và đảm bảo ổn định gương đào. Điều này đạt được bằng cách xử lý điều kiện đất phía trước đầu cắt bằng bọt khí và/hoặc polymer. O’Carroll (2005) liệt kê các lợi ích của việc cải thiện tính chất đất đối với vận hành máy EPB gồm:

• Cải thiện khả năng kiểm soát địa tầng
• Giảm yêu cầu mô-men xoắn và công suất
• Giảm mài mòn
• Giảm độ bám dính (độ dính bết), và
• Giảm tính thấm

Hình D-11 cho thấy mặt trước của máy TBM EPB Herrenknecht S-300 được sử dụng trong dự án hầm M30-By-Pass Sur Norte tại Madrid, Tây Ban Nha. Đường kính đầu cắt gần 50 ft (15.2 m). Xem Bảng D-1 để biết thêm dữ liệu về máy này (Herrenknecht).

D.3.2 Máy khiên đào slurry face

Như đã trình bày trong Mục 7.3, máy slurry face (SFM) là loại máy khiên đào có gương đào được điều áp, được thiết kế chuyên dùng để đào hầm trong địa tầng mềm, đặc biệt khi đất là các loại đất hạt rời chứa nước, dễ tách khỏi slurry tại trạm phân tách. Máy SFM tạo ổn định gương đào bằng thủy lực nhờ dung dịch bentonite slurry được duy trì dưới áp lực để chống lại áp lực đất và nước ngầm tự nhiên, đồng thời ngăn đất xâm nhập không kiểm soát hoặc mất ổn định tại gương đào.

Hình D-12 cho thấy các sơ đồ điển hình của máy mixshield của Herrenknecht, sử dụng nguyên lý chống đỡ gương đào bằng slurry. Trong máy mixshield, đất được đầu cắt (1) làm rời khi quay trong dung dịch bentonite. Sau đó, đất trộn với dung dịch bentonite. Khu vực của khiên mà đầu cắt quay được gọi là buồng đào (2), và được ngăn cách với phần còn lại của khiên, nơi có áp suất khí quyển, bằng vách ngăn kín chịu áp (3).

Dung dịch bentonite được cấp qua đường cấp (4), đi qua đệm khí (5) vào buồng đào với áp lực bằng áp lực đất và nước tự nhiên, nhờ đó ngăn đất xâm nhập không kiểm soát hoặc mất ổn định tại gương đào. Vì lý do này, buồng đào phía sau bánh cắt được tách khỏi vách ngăn kín chịu áp bằng một vách gọi là vách ngập (6). Khu vực giữa vách ngập và vách ngăn kín chịu áp được gọi là buồng áp lực/công tác. Lưu ý rằng trong máy slurry shield điển hình, áp lực trong buồng đào, áp lực chống đỡ gương đào, được kiểm soát trực tiếp bằng áp lực suspension. Trong máy mixshield, áp lực trong buồng đào không được kiểm soát trực tiếp bằng áp lực suspension, mà bằng đệm khí có khả năng nén giữa vách ngăn kín chịu áp và vách ngập.

Đất đã được làm rời trộn với suspension được bơm qua mạch cấp liệu đến trạm phân tách bên ngoài hầm. Để tránh tắc nghẽn mạch cấp liệu và đảm bảo các bơm xả hoạt động ổn định, một sàng đá lớn và các cục đất được bố trí phía trước ống hút để chặn lối vào kênh hút.

Ghi chú:
(1) Đầu cắt; (2) buồng đào; (3) vách ngăn kín; (4) đường cấp slurry; (5) đệm khí; (6) vách; (7) vỏ hầm segment; và (8) bộ dựng segment.

Hình D-13 cho thấy máy TBM Mixshield Herrenknecht S-317 được sử dụng trong thi công Dự án hầm vượt sông Trường Giang Thượng Hải tại Trung Quốc. Đường kính đầu cắt lớn hơn 50 ft (15.4 m). Xem Bảng D-1 để biết thêm dữ liệu về máy này (Herrenknecht).

Bảng D-1. Tóm tắt dự án (Herrenknecht)

Gripper TBM
Số hiệu	Tên dự án	Vị trí	Mô tả máy	Đường kính khiên đào [mm]	Chiều dài hầm [m]	Địa chất	Công suất đầu cắt [kW]	Tổng lực đẩy [kN]	Mô-men xoắn đầu cắt [kNm]	Ứng dụng
S-210	Alptransit Gotthard Bodio / Faido East Tunnel	CH	Gripper TBM đá cứng	8,830	13,460	Đá gneiss Đá granite Đá slate	3,500	27,488	5,290	Đường sắt

Single Shield TBM
Số hiệu	Tên dự án	Vị trí	Mô tả máy	Đường kính khiên đào [mm]	Chiều dài hầm [m]	Địa chất	Công suất đầu cắt [kW]	Tổng lực đẩy [kN]	Mô-men xoắn đầu cắt [kNm]	Ứng dụng
S-287	Pajares Los 1	ES	Single Shield TBM đá cứng	9,900	7,650 + 2,750	Đá sa thạch Đá slate	4,900	180,000	19,960	Đường sắt
S-256	Islisberg	CH	Single Shield TBM đá cứng	11,805	1 × 4.680 1 × 4.645	Upper fresh water molasse (đá bột kết vôi, các lớp cát mịn)	1,760	51,700	6,012	Hầm đường bộ

Double Shield TBM
Số hiệu	Tên dự án	Vị trí	Mô tả máy	Đường kính khiên đào [mm]	Chiều dài hầm [m]	Địa chất	Công suất đầu cắt [kW]	Tổng lực đẩy [kN]	Mô-men xoắn đầu cắt [kNm]	Ứng dụng
S-375	Brisbane North South Bypass Tunnel	AU	Double Shield TBM đá cứng	12,340	4,348	Đá tuf Brisbane, các lớp Neranleigh-Fernvale, đá ignimbrit ryolit	4,200	chính: 81.430 phụ: 100.000	17,974	Hầm đường bộ
S-376	Brisbane North South Bypass Tunnel	AU	Double Shield TBM đá cứng	12,340	4,067	Đá tuf Brisbane, các lớp Neranleigh-Fernvale, đá ignimbrit ryolit	4,200	chính: 81.430 phụ: 100.000	17,974	Hầm đường bộ

Earth Pressure Balance Shield TBM
Số hiệu	Tên dự án	Vị trí	Mô tả máy	Đường kính khiên đào [mm]	Chiều dài hầm [m]	Địa chất	Công suất đầu cắt [kW]	Tổng lực đẩy [kN]	Mô-men xoắn đầu cắt [kNm]	Ứng dụng
S-185	Heathrow Airside Road Tunnel Project	UK	EPB-Shield	9,160	2 × 1.240	Đất sét London	2,800	69,272	17,195	Hầm đường bộ
S-300	M-30 By-Pass Sur Túnel Norte Madrid	ES	EPB-Shield	15.095 (đường kính khoan 15.20)	3,650	Peñuela Thạch cao khối lớn	12.000 + 2.000	276.390 tại 350 bar 315.880 tại 400 bar	96.000 tại 0,81 rpm 8.450 tại 1,5 rpm	Hầm đường bộ

Mixshield
Số hiệu	Tên dự án	Vị trí	Mô tả máy	Đường kính khiên đào [mm]	Chiều dài hầm [m]	Địa chất	Công suất đầu cắt [kW]	Tổng lực đẩy [kN]	Mô-men xoắn đầu cắt [kNm]	Ứng dụng
S-108	Arge 4. Röhre Elbtunnel Hamburg	DE	Mixshield	14,200	2,560	Cát Bùn băng hà Đất bụi Sỏi cuội	3200 + 200	250,000	25,780	Hầm đường bộ
S-317	Shanghai Changjiang Under River Tunnel Project	CN	Mixshield	15,430	7,170	Cát Đất sét Đá dăm	3,500	203,066	39,945	Hầm đường bộ
S-318	Shanghai Changjiang Under River Tunnel Project	CN	Mixshield	15,430	7,170	Cát Đất sét Đá dăm	3,500	203,066	39,945	Hầm đường bộ

Hỗ trợ duy trì trang:

Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.

Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.

Qua USD (Buy Me a Coffee)

BIDV • STK: 3101226659 • HOANG HAI HA