Kỹ thuật - máy và thiết bị thi công công trình ngầm dạng tuyến: Phần 2

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:114

Thêm vào BST

Báo xấu

80
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mời các bạn cùng tham khảo Tài liệu sau đây phục vụ cho nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả. Tài liệu dành cho đối tượng sinh viên các ngành Xây dựng, Kiến trúc, Công trình và các ngành có liên quan. Tham khảo nội dung Tài liệu để nắm bắt nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật - máy và thiết bị thi công công trình ngầm dạng tuyến: Phần 2

Chương 5 CÔNG NGHỆ - MÁY VÀ THIẾT BỊ THI CÔNG TUYÊN NGẦM ĐÀO KÍN VÓI KHIÊN VÀ T ổ HỢP KHIÊN 5.1. C Ô N G N G H Ệ Đ À O K ÍN Công nghệ thi công đào kín chia làm ba nhóm chính: Thi công bằng phưoìig pháp mỏ; thi công bằng phương pháp khiên, tổ hợp khiên và thi công bằng phương pháp áo mới - New Austrian Metod (NAM). Công nghệ thi công thường gặp các tuyến ngầm vùng núi được gọi là phương pháp mỏ, bởi vì phương pháp này được ứng dụng sớm nhất vào việc đào hầm lò khai thác mỏ. Trong phương pháp mỏ, phần lớn các trường hợp đều dùng khoan lỗ mìn nổ phá đất đá nên cũng gọi là phương pháp khoan nổ. Từ xu thế phát triển công trình đường hầm mà xét, phương pháp khoan nổ vẫn là phương pháp thường dùng đế đào hầm trên núi từ trước đến nay cũng như từ nay về sau. Trong phương pháp mỏ, phương pháp che chống sau khai đào hầm hào, đại thể phân làm hai loại: che chống bằng kết cấu thép gỗ, che chống bằng neo phun bê tông. Về công nghệ Ihi công, người ta quen gọi công nghệ thi công dùng khoan nổ để đào kết hợp với che chống bằng cấu kiện thép gỗ là “phương pháp mỏ truyền thống” và nếu dùng công nghệ thi công khoan nổ để đào kết hợp với che chống bằng neo phun thì gọi là “Phương pháp áo mới”. 5.1.1. C ác công nghệ đào kín mỏ truyền thống Phương pháp mỏ truyền thống là phương pháp phát triển lên trong thực tiễn thi công lâu dài của con người. Phưofng pháp này dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm thời, đợi đến khi đường hầm đã hình thành xong thì thay dần hệ che chắn tạm thời bằng vỏ xây dày toàn khối có tính vĩnh cửu. Che chống bằng kết cấu gỗ không bền, thay đổi phức tạp lại không an toàn, hiện nay ít dùng. Che chống bằng kết cấu thép có ưu điểm bền lâu và chính xác với hình dạng hầm lò, ít phải thay đổi, rất an toàn. Giới xây dựng Nhật Bản có thói quen gọi phương pháp mỏ dùng cấu kiện thép làm hệ che chống là “Phương pháp bản lưng”. Đào tuyến ngầm với phương pháp mỏ truyền thống có 3 sơ đồ công nghệ. 11
1. M ỏ truyền thông kết hợp với ináy đào liên họp com bai Đất được đào bởi máy đào liên hợp, dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm thời sau đó xây vỏ tunnel vĩnh cửu. •Í-L r". ■ Hình 5.1. Sơ đồ bô'trí thiết bi công nghệ IIĨỎ kết hợp với máy dào liên hợp cotnhai: 1 - đầu phá đất combai; 2 - bộ phận cào vơ combai; 3 - cấu kiện gỗ hay thép làm che chán tạm thời; 4 - xích tải gạt combai; 5 -máy vận tải hầm lò. 2. M ỏ truyền thống kết hợp khoan - n ổ min Đất được đưa ra khỏi gương đào nhờ khoan - nổ mìn, dùng cấu kiện gỗ hav Ihép làm che chắn tạm thời sau đó xây vỏ lunnel vĩnh cửu. Sơ đố bố Irí Ihiêì bị Ihc hiện trên hình 5.2. Phương án này chỉ dùng cho đào tuyến ngầm trên núi, đất có độ cứng trung bình có ít nước. Hinh 5.2. Sơ dồ bô trí thiểt bị công nghệ mỏ kếí hợp khoan - IIÔ mìn: 1 - gương đào; 2 - cỗ máy khoan; 3 - máy cào vơ; 4 - máy vận tải hầm lò; 5 - cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm thời. 3. M ỏ truyền thống kết hợp đào thủ công Đất được đào bởi sức người bằng dụng cụ thủ công, máy khoan cầm tay hoặc búa chèn hơi v.v ..., dùng cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm thời, sau đó xây vỏtunnel vĩnh cửu. Phương án này được sử dụng khi đầo tunnel qua vùng có điều kiện địa chất ổn định, khó sạt lở, độ cứng từ nhỏ tới trung bình và ít nước ngầm. 112
Hình 5.3a. Sơ dồ công nglỉệ mỏ dào tlìủ công: Hình 5.3b. Khiên thủ công dào tiiiinel 1 - đào đut bởi sức người bằng dụng cụ thủ qua đáy sôngThames UK năm 1825 do công, máy khoan cầm tay hoặc búa chèn hơi kỹ sư lìgườì Pháp Isambard Kiiìgdom v.v.. 2 - cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn Bniiiel (1806 - 1859} thiết kê' tam thời 5.1.2. Các công nghệ đào kín kết hợp khièn và tổ hợp khién K hiên thủ công kết hợp khoan - n ổ m ìn: Phương án này được sử dụng khi đào tunnel qua vùng có điều kiện địa chất ổn định, ít nước ngầm. Bản chcú của công nghệ này là khoan tạo lỗ, nổ mìn, bốc xúc đất đá vận chuycn và cuối cùng là thi công vỏ tunnel liền khối dưới sự che chống của khiên. Điểm khác biệt so với công nghệ nổ mìn trong nền đất đá cứng là có cơ cấu khiên thủ công che chống mà không cần khoan neo gia cố vách và nóc lò tạm thời. K hién thủ công kết hợp máy đào liên hợp com bain: Phương án này được sử dụng khi đào tunnel qua vùng có điều kiện địa chất ổn định, ít nước ngầm. Đất được đào bởi máy đào liên hợp, dùng khiên thủ công để giữ vách và nóc lò và trong lòng khiên này sẽ xây vỏ tunnel vĩnh cửu. Sơ đồ bố trí thiết bị giống như trên liình 1.4, điểm khác biệt chính là cấu kiện gỗ hay thép làm che chắn tạm thời số 3 là kết cấu khiên thủ công tự di chuyển về phía trước nhờ kích. K hiên thủ cô n g kết hợp đào thủ công loại thường (non pressure blance): Phương án này được sử dụng khi đào tunnel qua vùng có điều kiện địa chất ổn định, ít nước ngầm và chiều dài tunnel nhỏ hơn 750m . Dưới sự che chống của khiên thủ còng, đất được đào bởi sức người bằng dụng cụ thủ công, máy khoan cầm tay hoặc búa chèn hơi V V . . . V Ỏ tunnel được lắp từ những mảnh vỏ ch ế tạo sẵn ngay trong khiên, và khiên di chuyển lên phía trước nhờ các kích thuỷ lực đẩy vào chính phần vỏ tunnel vừa thi công xong. 113
K hiên thủ cô n g ứ n g d ụ n g kh í n é n : Phương án này được áp dụng khi đất yếu, ngậm nước và chiều dài tunnel nhỏ hơn 750m. Theo phưofng án này thì dưới sự che chống của khiên thủ công đất đá được đào bởi sức người kết hợp cuốc xẻng, máy khoan cầm tay hoặc búa chèn hơi w . . .trong điều kiện áp suất cao để giữ gương đào không bị sạt lở. Trong công nghệ này người thợ phải làm việc trong điều kiện không khí áp suất cao dễ sinh bệnh “giếng chìm”. Trên hình 5.4 ta có thể thấy vách ngăn 6 ngăn khoang thi công 2 có áp lực cao với khoang 8 áp lực bình thường. K hí nén được cấp bởi máy nén khí 12 qua đường ống dẫn khí nén 9. Toàn bộ công tác đào đất, lắp ráp được tổ chức trong khoang 2 với điều kiện áp suất cao, khi một đoạn tunnel đủ dài người ta di chuyển vách 6 vào vị trí mới để tiếp tục một chu kỳ tiếp theo. T ổ hợp khiên thường (non p ressu re balance); Dùng để đào tunnel trong điều kiện địa chất tốt, ít nước ngầm, chiều dài tunnel > 750m. Trong công nghệ này tất cả mọi công đoạn đều được cơ giới hoá hoàn toàn, đất được đào ra nhờ mâm dao phía trước tổ hợp khiên. Chi tiết sơ đồ công nghệ và bố trí thiết bi xem hình 5.4. 1 . 2 3 4 5 6 7 zz ì' ¥ Hình 5.4. Sơ đồ thi công Íiíiinel ứng dụng khí nén kết hợp khiên thủ công và báu thủ công: 1 - khiên; 2 - khoang thi công; 3 - máy lắp ráp vỏ tunnel; 4 - camera an toàn; 5 - cầu thoát hiểm; 6 - vách ngăn chịu áp suất; 7 - cabin ra vào; 8 - khoang áp lực không khí bình thường; 9 - ống dẫn khí nén; 10 - cần trục cổng; 11 - giếng đứng; 12 - máy nén khí T ổ hợp khiên g iữ g ư ơ n g đào bằng đất E P B : Tổ hợp này được dùng để đào tunnel tại những vùng đất yếu, đất chảy nhưng ít thấm nước dạng đất sét và pha sét. Trên thế giới được dùng để thi công các tuyến Metro ngầm trong thành phố, qua đáy sông, đáy biển nơi có điều kiện địa chất như đã nói ở trên. Chi tiết sơ đồ công nghệ và bố trí thiết bị xem trong chương sau. 114
T ổ hợp khiên g iư g ư ơ n g đào bằ ng d u n g dịch betonite S P B : Tổ hợp này được dùng để đào tunnel tại những vùng đất yếu, đất chảy rất nhiều nước ngầm. Dung dịch betonite cùng với gối khí nén tạo ra áp lực đủ lớn để khống chế áp lực nước ngầm, đảm bảo cho gưcfng đào không bị sạt lở. Trên thế giới được dùng để thi công các tuyến Metro ngầm trong thành phố, qua đáy sông, đáy biển nơi có điều kiện địa chất như đã nói ở trên. Chi tiết sơ đồ công nghệ và bô' trí thiết bị xem trong chưcíng sau. T ổ hợp khiên hỗn hợp M ix shield: Đây là tổ hợp khiên hoạt động trên nguyên tắc giữ gương đào của cả hai loại khiên trên. Tổ hợp này được thiết kế theo modul, tức là theo từng cụm có thể thay thế linh hoạt. Nhờ phưcfng án trên các cụm của tổ hợp có thể thay đổi tuỳ thuộc vào yêu cầu giữ gưcfng đào tương ứng với từng điều kiện địa chất cụ thể. Sơ đồ công nghệ và bố trí thiết bị theo cả hai tổ hợp SPB và SPB chương 4. 5.1.3. Phương pháp áo mới, công nghệ khoan nổ mìn trong đất đá cứng 1. P h ư ơ n g ph áp áo mới Phưcmg pháp thi công đường hầm mới của áo (New Austrian Tunneling Method - NATM) là do nhà bác học người áo K . v Rabcewicz đề xuất ra trước tiên. Phưcmg pháp này lấy phun bê tông và neo làm biện pháp che chống chủ yếu, thông qua giám sát đo đạc khống chế biến dạng giới chất, dựa trên cơ sở kỹ thuật phun neo tổng kết lại và đề xuất ra. Hình 5.5. Giản đổ về khái niệm NATM của Rabcewicz Trong cuốn sách của mình "Gebigtack und Tunnelbau"-1944, L . v Rabcewicz đưa ra một hệ thống áp lực của đá và giải thích các hiện tượng đó. Nhiều nguyên tắc của NATM đã được đề cập trong cuốn sách này. Trong bản quyền sáng chế 1948 của ông, 115
các nguyên tắc NATM đã được hình thành. Các nguyên tắc này được kiểm tra bằng các biện pháp trong các tình huống biến dạng cụ thể. Phương pháp xây dựng hầm NATM đã được nhiều nước tiên tiến trên thế giới công nhận là phưcíng pháp xây dựng hầm hiện đại và có nhiều ưu điểm nổi trội hơn các pháp thông thưòng. Chính vì tính ưu việt của phương pháp nên N ATM đã được nhiều nước đưa vào quy trình thi công hầm của mình như Đức, Áo, Nhật Bản... ở Việt Nam phương pháp NATM lần đầu tiên được áp dụng để thiết kế và thi công hầm đường bộ xuyên núi Hải Vân (TP. Đà Nẵng) và sau đó được áp dụng thành công vào công trình hầm đường bộ qua đèo Ngang (Tỉnh Hà Tĩnh). Phương pháp thi công NATM tận dụng năng lực tự chịu tải của đất đá thường được thi công trong nền đất đá có khả năng tự ổn định hình 5.6. Hình 5.6. Trình tự và s ơ dồ công nghệ thi CÔIÌÍ’ tiinneì theo công nghệ áo mới NATM: 1 - máy khoan; 2 - neo; 3 - lưới thép; 4 - lớp bê lông phun (khô hoặc ướl) gia cô' tạm thời; 5 - tổ hợp máy bcím phụt vữ a bê tông; 6 - xe di chuyển có lắp các thiết bị quan trắc; 7 - ván khuôn di động, 8 - vỏ tunnel vĩnh cửu Sau khi đào hở vách lò người ta gia cố tạm tời bằng khoan neo, bằng phun bê tông lên bề mặt nóc và vách lò, đồng thời quan trắc một cách cẩn thận biến dạng hầm lò và khẩn trương thi công vỏ lò vĩnh cửu. Kỹ thuật che chống bằng phun neo so với kỹ thuật che chống bằng cấu kiện thép gỗ, không chỉ khác nhau về biện pháp, nhưng quan trọng hofn là khái niệm về công trình không giống nhau. Đó là một bước tiến thêm trong nhận thức và lí giảỉ rõ hơn về vấn đề hầm và công trình ngầm. Do việc áp dụng và phát triển kỹ thuật che chống bằng phun neo đã dẫn lý luận hầm và công trình ngầm bước vào lĩnh vực mới của lý luận hiện đại và cũng khiến cho việc thiết kế và thi công hầm và công trình ngầm càng phù hợp thực tế công trình dưới đất, tức là việc nhất trì giữa hệ thống lý luận thiết kế - phưcmg pháp thi công - kết cấu và trạng thái công tác (kết quả). Do vậy, phương pháp thi công áo mới là một loại phương pháp thi công đã được ứng dựng rộng rãi trong phạm vi toàn thế giới. 116
Trên ihế giới công nghệ này đã được ứng dụng cho các tunnel đi qua đất có khả năng tự ổ:i định và đất có khả nãng tự ổn định kém với công nghệ tạm gọi là công nghệ đào tunr.el bàng phương pháp “chống trước đào sau Trong thực tế tại Việt Nam đã sử dụng công nghệ này từ lâu, cụ thể là đào hầm qua núi đá bằng công nghệ khoan nổ mìn. Tóm lại công nghệ thi công tunnel theo công nghệ áo mới NATM có 3 loại với 3 điều kiệr địa chất hoàn toàn khác nhau đó là: Công nghệ “chống trước đào sau” kết hợp với cônc nghệ áo mới; Công nghệ khoan nổ mìn thi công trong nền đá cứng - NATM; Công nghé thi công tunnel NATM kết hợp máy đào liên hợp combai được trình bày trong các mục 4, 5, 6 dưới đây. 2. Trinh tự thi c ô n g th eo cô n g n g h ệ á o m ói Trình tự thi công theo phương pháp áo mới biểu diễn theo sơ đồ sau: 117
3. N guyên tắc c ơ bản của cô n g n g h ệ áo mới Nguyên tắc cơ bản của thi công theo công nghệ áo mới gồm; - ít làm lay động: Khi tiến hành đào mở tuyến ngầm, cần hết sức giảm thiểu (số lần, cường độ, phạm vi và thời gian) lay động liên tục kéo dài. Vì thế nên dùng máy đào đâì đá mà không dùng phương pháp khoan nổ để đào. Khi dùng phương pháp khoan nổ để đào, cần phải nghiêm khắc tiến hành khống chế nổ phá dùng cách đào tiết diện lớn; căn cứ loại đất đá, phương pháp đào, điều kiện che chống lựa chọn hợp lý chiều dài đào sâu một tuần hoàn; đối với đất đá tự ổn định kém chiều dài đào sâu tuần hoàn nên ngắn lại; việc che chống phải khẩn trương theo kịp mặl đào, rút ngắn thời gian để đất đá bị bong rời không che chống. - Phun n eo sớm : Sau khi đào xong cần che chống phun neo thời kỳ đầu, làm cho ứng suất đất đá đi vào trạng thái khống chế ổn định. Làm như thế, một mặt không để cho đâì đá biến dạng quá độ mà sinh ra sụt lở mất ổn định; mặt khác làm cho đất đá phát triển biến dạng vừa phải, để phát huy đầy đủ năng lực tự chịu tải của mình. Khi cần thiết có thể có biện pháp che chống trước. - Clìăni chú đ o đ ạ c : Lấy phương pháp đo đạc bằng máy hoặc trực quan và số liệu đo đạc bảo đảm để đánh giá trạng thái ổn định của đất đá (hoặc đất đá đã được gia cố hoặc phán đoán xu thế phát triển động thái của chúng, nhằm điều chỉnh kịp thời hình thức che chống, phương pháp đào bới, bảo đảm thi công được tiến hành thụận lợi và an toàn. Đo đạc trắc địa là một tiêu chí quan trọng của công nghệ, là biện pháp để nắm vững quá trình thay đổi động thái của đất đá và là căn cứ, số liệu để tiến hành thiết kế, thi công công trình. - Nliaiilì chóng khép kín: Một mặt là chỉ phải dùng biện pháp che chống bằng phưn bê tông ngay, tránh cho đất đã bị bóc trần dài ngày bị giảm sút cường độ và tính ổn định, nhất là đối với địa tầng mềm yếu dễ bị phong hoá, mặt khác quan trọng hơn là nếu kịp che chống bịt kín thì không chỉ ngăn không cho đất đá biến dạng mà còn làm cho lớp che chống và tầng đất ở vào trạng thái cộng đồng hợp tác chịu lực tốt với nhau. Phương pháp NATM khi áp dụng luôn luôn đảm bảo các nguyên tắc cơ bản và được tiến sĩ Muller giới thiệu gọi là “22 nguyên íắc NATM" như sau: (1) Kết cấu hầm là tổ hợp giữa đất đá và vỏ hầm, hầm chủ yếu được chống đỡ bằng khối đá xung quanh (2) V ì thế, điều quan trọng là phải giữ độ bền vững của khối đá.Cách chống đỡ truyền thống bằng gỗ hoặc bằng vòm thép không thể ngãn ngừa sự biến dạng của khối đá xung quanh hầm. Bê tông được phun ngay sau khi đào hầm có thể ngăn sự biến dạng của khối đá một cách hữu hiệu. (3) Sự phân rã của khối đá (loosening) phải được ngăn chặn vì nó làm cho cường độ của đá giảm đi. 118
(4) Khối đá phải được giữ trong trạng thái ứng suất nén ba trục. Cường độ của khối đá với ứng suất nén đơn trục, hai trục thấp hơn cường độ trong điều kiện ba trục. (5) Biến dạng của khối đá phải được ngãn chặn từ xa. Phải thiết lập hệ thống chống đỡ để ngãn chặn sự phân rã và nguy cơ đổ sập của khối đá. Tính kinh tế và chất lượng của việc đào hầm sẽ tãng nếu các hệ thống chống đỡ được thiết lập một cách thích hợp. (6) Hệ thống chống đỡ và vỏ hầm phải được lắp đặt kịp thời. Lắp đặt các hệ thống chống đỡ quá sớm hay quá muộn sẽ đem lại kết quả bất lợi. Hơn nữa, hệ thống chống đỡ cũng không được quá mềm hay quá cứng. Các hộ thống chống đỡ cần có một độ mềm dẻo thích hợp để duy trì cường độ của khối đá. (7) Để xác định thời gian thích hợp lắp đặt hệ thống chống đỡ, cần phải nghiên cứu khảo sát ứng xử của khối đá. (8) Không chỉ là việc thí nghiệm trong phòng mà việc tiến hành quan trắc sự biến dạng của hầm rất quan trọng để xác định thời gian thích hợp chống đỡ vách đào. Thời gian tự đứng vững của vách hầm, tốc độ biến dạng và loại đá cũng là những nhân tố quan trọng để xác định thời gian chống đỡ vách đào. (9) Nếu biến dạng hoặc sự phân rã của khối đá được dự đoán là lớn, thì bề mặt hang phải được phun bê tông (shotcrete) che kín. Chống đỡ bằng gỗ và thép chỉ tiếp xúc với bề mật tường hầm ớ các điểm chống, vì vậy trong khoảng giữa các điểm tiếp xúc biến dạng và sự phân rã của khối đá vẫn sẽ phát triển. (10) Vỏ hầm phải mỏng và có độ mềm dẻo thích hợp nhằm triệt tiêu mô men uốn và tránh được phá hoại do ứng suất uốn gây ra. Không chỉ lớp vỏ hầm ban đầu (sholcrete) nùi cả lứp vỏ hầm hoàii ihiện cũng cần phải mỏng. (11) Trong trường hợp cần thiêì phải tăng cường hệ thống chống đỡ (ban đầu) thì sử dụng các Ihanh thép, khung chống thép và neo. Tăng chiều dày lớp bê tòng vỏ hầm sẽ không có lợi vì giảm diện tích tiết diện hầm. (12) Thời gian và phương pháp thi công vò hầm được quyết định dựa trên kết quả quan trắc của các thiết bị. (13) v ể mặt lý thuyết, kết cấu của hầm giống như một ống hình trụ gồm vòm đất đá, hệ thống Hỉnh 5.7. Mặt cắt ống vòm chống đỡ và vỏ hầm liên hợp với của hệ thống chồng đỡ NATM nhau làm cho hầm tự ổn định. 119
(14) Cấu tạo vòm ngửa (đáy hầm) tạo nên hầm có dạng ống trụ kín. Kết cấu này cho phép tăng khả nãng chịu áp lực của đất đá. (15) ứng xử của khối đá phụ thuộc vào tiến trình đào hầm và sự lắp đặt hệ thống chống đỡ cho đến khi kết cấu kín của hầm được hình thành. M ô men uốn bất lợi xuất hiện tại khu vực tiếp giáp của phần vòm và tường do hiệu ứng hẫng nếu như khoảng cách giữa bề mặt gương đào phần vòm và phần tường xa nhau. (16) Từ quan điểm phân bố lại ứng suất, phương pháp đào toàn tiết diện tốt hơn các phương pháp khác. Khi phân mảnh sẽ làm cho chất lượng khối đá xung quanh giảm đi nhanh chóng do phân bố lại ứng suất. (17) Phương pháp đào hầm có ảnh hưởng rất lớn đến khối đá xung quanh, chẳng hạn chu kỳ và sự liên tục của việc đào hầm, thời gian thi công vỏ hầm, thời gian kết thúc... các yếu tố này cần được kiểm soát để tạo ra kết cấu liên hợp đảm bảo ổn định của đường hầni. (18) Mỗi bộ phận hầm nên có hình dạng đường tròn nhằm tránh ứng suất tập trung bất lợi. (19) Nếu hầm được thiết kế có vỏ kép thì vỏ hầm bên trong phải mỏng, ứng suất cắt giữa vỏ ngoài và khối đá sẽ không truyền vào vỏ trong. Còn lực hướng tâm sẽ truyền cho kết cấu vỏ kép. (20) Kết cấu liên hợp của khối đá và kết cấu chống đỡ ban đầu phải hình thành trước khi thi công lớp bê tông vỏ hầm trong. Lớp vỏ hầm bên trong chỉ có tác dụng làm tăng hệ số an toàn cho hầm. Tuy nhiên, độ ổn định của kết cấu hầm cần được tính toán bao gồm cả lớp bê tỏng vỏ hầm bên trong khi hẩm gặp nước thấm có lưư lượng lớn hoặc khi tính đến khả nãng các neo bị ăn mòn. (21) Thiết bị đo quan trắc đóng vai trò quan trọng đối với công tác thiếl kế và thi cống đường hầm. V iệc đo ứng suất, chuyển vị của ^ hầm có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi thi công hầm. (22) Áp lực của nước ngầm xuất hiện trong khối địa tầng cần phải giải phóng bằng hệ thống thoát nước. 4. C ô n g n g h ệ “c h ố n g trước đào sau ” kết hợp với cô n g n g h ệ áo mói Khi thi công qua nền đất có khả năng tự ổn định kém, nếu tiếp tục ứng dụng công nghệ áo mớí thì phải gia c ố nền đất yếu dưới sâu xung quanh hoặc xung quanh và toàn bộ tiết diện tunnel bằng bê tông đất trước khi đào tunnel. Gia c ố nền đất có khả năng ổn định kém dưới sâu bằng công nghệ trộn sâu tại chỗ M ix in situ mà nổi bật là công nghệ khoan phụt vữa cao áp (K P V C A ) sẽ được đề cập kỹ trong chương 8. Phưcíng án chống trước với hai giải pháp: Chống trước trên mặt đất (khi mật bằng cho phép hình 5.8) và chống trước bằng cách gia c ố đất vượt lên phía trước tunnel ngang hoặc nghiêng hình 5.9 kết hợp khiên hoặc NATM. Thứ tự thi công tunnel bằng công nghệ chống trước đào sau là: 120
- Bước 1: Gia c ố lớp đất yếu dưới sâu; - Bước 2: Đào lunnel (đào kín hoặc hở); Lắp lưới cốt thép; - Bước 3: Khoan neo; - Bước 4: Phun bê tông gia cố tạm thời (có lưới thép hoặc không có lưới thép); - Bước 5; Đồng thời kiểm soát biến dạng thoả đáng và chính xác để kịp thời sử lý nếu có sự cố và nhanh chóng thi công tunnel vĩnh cửu. ỉlìn h 5.8. Chông trước hấiìiỉ íỊÌa cỏ' Hình 5.9. Chỏiìíỉ trước bâng ỉiia có cỉđt i n r ớ c khi ( lảo (l ên i nặt đ ấ t : vượt lứiì p h í a t r ư ớ c l i t i u i e l l ìằni l ì ga ii ị ỉ: 1 - Ihiết bị KPVCA; 2 - bè tông 1 - lớp đất yếu cần sử lý; 2 - các trụ xi mãng đất; 3 - tunnel; 4 - các cọc bê đất được tạo ra bàng cách khoan chéo để tạo tỏim đất chống lên nhau lạo một ra lớp đất có khả năng chịu tải và chống thấm lớp địa tầng tốt cho đào tuiinel. nước tốt; 3 - khiên thủ công hoặc tổ hợp khiên; 4 - lớp đất tốt; vỏ lò 5. C ô n g n g h ệ khoan n ổ min thỉ cô n g tro ng n ền đá c ứ n g - NATM Đây là công nghệ thi công tunnel theo công nghệ áo mới N A TM trong điều kiện đất clá cứng và rất cứng, khả nãng tự ổn định rất lớn. Công nghệ này đã được sử dụng ở Việt Nam từ khá lâu, thưòfng được dùng để thi công các tunnel xuyên núi, dẫn nước cho các nhà máy ihuỷ điện. Dưới đây là sơ đồ khối ihứ tự thi công tunnel bằng công nghệ khoan nổ mìn: 121
G hi c h ú : Các công đoạn cơ bản của các phương pháp thi công theo truyền thống và NATM cơ bản là như nhau, sự khác nhau chỉ là vấn đề tận dụng tối đa khả năng mang tải của khối đất đá bao quanh hầm, đây cũng là hạn chế lớn của NATM vì chỉ có đất đá có độ cứng nhất định nào đó mới có khả nãng này. Từ đó mà các phương pháp thiết kế kết cấu vỏ hầm có những điểm khác nhau rất cơ bản: - Trong phương pháp thi công theo truyền thống, kết cấu vỏ hầm chủ yếu được tínli theo tải trọng cho trước, với các mô hình nền phổ thông: Nền biến dạng cục bộ \Vincle, nền biến dạng toàn bộ theo bán không gian đàn hồi....với các sơ đồ tính Ihường được đưa về hệ thanh làm việc trong môi trường đàn hồi hay phi đàn hồi. - Trong khi đó trong NATM các đề xuất về các phương pháp thiết kế vỏ hầm chưa thật chặt chẽ, khó kiểm soát. Phương pháp thi công theo truyền thống là phưcmg pháp lâu đời nhất, có lịch sử phát triển cùng với lịch sử phát triển của ngành mỏ và đã đạt được những thành công đáng kê’ trong thế kỉ X X . Thành công lớn nhất của phương pháp khoan nổ chính là sự ra đời vù phái triển của phương pháp thi công hầm mới của Áo - N ATM , ra đời trong những nãm 60 của thế kỉ X X và nhanh chóng trở thành một trào lưu trong lĩnh vực xây dựng hầm và công trình ngầm của hầu hết các quốc gia trên thế giới và cho đến nay vẫn chưa mất tính thời sự do các lợi ích của nó mang lại. NATM kết hợp dùng các bulông neo đá và bê tông phun - chủ yếu dùng để làm kếl cấu chống đỡ trong thi công (vỏ hầm sơ cấp) và sau này là một bộ phận cấu thành của vỏ chịu lực trong khai thác (vỏ hầm thứ cấp) khi đào hầm trong đá cứng, đang được ứng dụng trong thi công hầm đô thị, sau gần bốn thập niên phát triển liên tực và được đúc kết, đã đạt tới độ hoàn thiện đáng tin cậy. Do vậy chỗ đứng của nó được đảm bảo trong giới chuyên môn hầm. Phương pháp này có tính ưu việt vì nó có tính kinh tế trội hơn so với công nghệ khiên đào, song với điều kiện là sự chuyển dịch của đất - hậu quả của các biện pháp phòng nước không phải là một nguyên nhân gây quản ngại về mòi trường. Lưới thép Khung thép tổ hợp Thép cừ Thi còng trong khối đá bở rời, sử dụng ván thép tạo ỏ bảo vẻ Hỉnh 5.10. Thi công hầm theo phương pháp NATM NATM (hlnh 5.10) cùng với hệ thống lý thuyết của nó đã góp phần vào sự hiểu biết và khả nãng áp dụng to lớn của con người khi xây dựng không gian ngầm với các nguyên lắc cơ bản nhất như sau: 122
* Khối đất đá xung quanh là thành phần mang tải chính và khả nãng chịu tải của nó phải được duy trì bằng cách không làm xáo trộn khối đá. * Sức chịu tải của khối đá phải được bảo tồn bằng cách sử dụng các thành phần chống đỡ bổ sung. * Vỏ hầm phải có mỏng và nếu cần gia cường bổ sung thì phải dùng lưới thép, vì chống thép và neo đá chứ không phải bằng cách tăng chiều dày vỏ hầm. Dễ thấy rằng phương pháp thi công theo truyền thống với cách vẽ 1, 2 và 3 là sự lựa chọn cho công trình bất kỳ, song vấn đề tiến độ sẽ khó khắc phục được, còn NATM chỉ kinh tế và phù hợp với đá có độ cứng nhất định, với đất yếu, sự lựa chọn còn đang trong quá trình tìm tòi, phát triển. 5.2. C Ô N G N G H Ệ ĐÀO KÍN BẰNG K H IÊ N VÀ T ổ H Ợ P K H IÊ N , T H I Ế T BỊ VÀ PHÂN LO Ạ I 5.2.1. Công nghệ đào kín bằng khiên và tổ hợp khiên 1. C ô n g n gh ệ đào kín bằ ng khiên Lịch sử công nghệ thi công đào tuyến ngầm toàn tiết diện bằng khiên và tổ hợp khiên (Shield metod) bắt đầu lừ những nãm đầu thế kỷ trước. Trước đó khiên đào lò đầu tiên dược chế tạo bởi kỹ sư Brunei (Pháp) là một khiên thủ công hình chữ nhật có kích thước 6,8x 11,4m đã được dùng để thi công tuyến tunnel ngầm qua đáy sông Thames ở London v à o lh ế k ỷ X ĨX . Khièn dào lò (shicld) là một loại kết cấu kim loại di động (nhờ kích), có nhiệm vụ dảin bảo an toàn cho công tác xây dựng đường hầm từ đào đất tới lắp đặt vỏ tunnel tránh sạt lở vách và gương đào. Có thể hiểu sơ bộ công nghệ thi công đào kín bằng khiên như sau: Người ta đưa vào lòng đất một kết cấu được hàn từ các kết cấu thép, có hình dạng giống hệt hình dạng mặt cắt ngang của tuyến ngầm cần đào, trong lòng kết cấu thép đó các người thợ sẽ tiến hành tất cả các công đoạn thi công từ khâu đào đất, bốc xúc và vận chuyển đất lên trên bề mặt đất, thi công vỏ tunnel và sau đó bằng kích vít hoặc kích thuỷ lực đẩy kết cấu thép mà ta gọi là khiên đó tiến lên một đoạn đúng bằng chiều dài đoạn vỏ tunnel đã thi công xong để tiếp tục một chu kỳ thi công tuần hoàn tiếp và cứ như vậy lặp lại ta được một tuyến tunnel đi ngầm trong đất với vỏ bê tông cốt thép vĩnh cửu. Trong công nghệ đào hầm dùng khiên thì lớp vỏ hầm được thi công bằng cách lắp ghép các cấu kiện (segments) ch ế sẵn. Một số lượng nào đấy các cấu kiện đúc sẵn trong một công xưởng sẽ được vận chuyển và tập kết tạm thời ở một kho bãi gần công trường. Đảm bảo có được một không gian như vậy không phải là dễ dàng, thậm chí trong một giai đoạn tạm thời, ở một khu vực có mật độ công trình dày đặc. Đối với các vỏ hầm thi công bằng cấu kiện lắp ghép, những phương pháp thiết kế khác nhau, được đề nghị dùng 123
cho các điều kiện đất đai và nước ngầm khác nhau, đều đảm bảo được cường độ cơ lý của lớp vỏ ở hầu hết các trường hợp. Khả năng phòng nước (water-stopping) của vỏ hầm được đảm bảo bằng cách dùns các vật liệu hàn, đệm và trám kín khe nối giữa các mảnh cấu kiện. Tuv nhiên việc làm kín nước lâu dài khó khăn hơn; nếu thật cần thiết thì phải dùng đến lớp áo thứ cấp (secondary), đôi khi còn phải được gia cường thêm bằng các lưới cốt thép. Một số đánh giá về phương pháp làm vỏ hầm lắp ghép cho rằng giá thành của các tấm cấu kiện là cao, ngoài ra còn có thể phải làm thêm lớp áo thứ cấp, và các chi phí về vận chuyển cấu kiện và thuê sân bãi, nên việc thi công là tốn kém. Thời gian gần đây, giải pháp thay thế vỏ hầm lắp ghép bằng công nghệ đổ bê tông vỏ hầm theo kiểu ép đẩy (extruded concrete lining- E C L ) đã được phát triển ở châu Âu, đặc biệt là ở Đức. Đây là kỹ thuật thi công vỏ hầm bằng cách bơm đẩy bê tông thường hoặc bê tông cốt sợi thép vào khe hổng giữa bề mặt hang đào và ván khuôn bên trong hầm. Tuy nhiên nếu xét đến loại đất nền là quá rời lỏng và các tác động có thể về địa chấn, thì việc sử dụng loại thép thanh để làm cốt cho bê tông vỏ hầm được cho là cần thiết, đây chính là một biến thể của phương pháp E C L đang được triển khai ở Nhật Bản. Trong mọi trường hợp, nhờ sự ép đẩy bê tông mà về lý thuyết, việc sử dụng phương pháp E C L có khả năng giảm được lún đất nền, do vậy mà loại bỏ được yêu cầu về các công việc làm thêm chẳng hạn như bơm vữa chèn lấp. Thiết nghĩ E C L là một phương pháp triển vọng và cuối cùng là có tính kinh tế, mặc dầu nó đòi hỏi trang bị (instalations) chuyên dùng để đẩy bê tông, cũng như là phải có ván khuôn bên trong mà khó mà dùng lại được. Ngoài ra người ta thấy là không có thiết bị đào hầm vạn năng đối với loại đất mềm yếu. Thiết bị và các bộ phận cấu thành (components) của nó phải phù hợp với các điều kiện địa chất cụ thể. Mặt khác, chính những phát triển về mặt kỹ thuật của thiết bị hiện có mới cho phép thi công hầm theo cơ giới hoá, thậm chí ở trong các loại đất rất khó đào. 2. C ô n g n g h ệ đ à o kín b ằ n g t ổ h ợ p k h iên Trên đây là giải thích nguyên lý thi công sơ bộ bằng khiên dạng thủ công (sẽ trình bày cụ thể hơn ở phần sau). Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị thi công tuyến ngầm, từ những khiên thủ công sơ khai ban đầu nay đã được cải tiến và hoàn thiện hơn nhiều. Ngày nay khi nói đến thi công bằng khiên ta hiểu là công nghệ mà ở đó thiết bị thi công là một tổ hợp xây lắp tuyến ngầm được bảo vệ bởi khiên (shield) có kích thước giống hệt mặt cắt ngoài của tuyến tunnel cần xây dựng, khiên này ngoài nhiệm vụ che chống áp lực địa tầng còn có thể tiến lên phía trước trong địa tầng. Bên trong vỏ khiên này là cả một tổ hợp xâv dựng, đoạn đầu khiên có mâm dao cắt để cắt đất đá (mâm dao tròn phẳng như cái mâm trên bề mặt có các đĩa cắt nên đôi khi còn 124
được dịch là “máy thông hầm tấm phẳng”), phía sau mâm dao là khoang che chống gưotng đào, đoạn giữa của khiên được lắp các kích đẩv cho mâm dao tiến lên, đuôi của khiên lắp các ống bê tông vỏ hầm đúc sẵn hoặc các vành thép để đổ bê tông vỏ hầm vĩnh cửu. Mỗi lần khiên tiến lên cự ly một vòng (một đốt), thì sẽ lắp đặt (hoặc đổ tại chỗ) một vòng vỏ hầm dưới sự che chống của khiên, đồng thời người ta sẽ ép vữa xi măng có phụ gia vào khoang hở phía sau lưng vỏ tunnei để giữ ổn định tầng đất sau thi công, tránh cho mặt đất không bị lún xuống. Để đẩy khiên tiến về phía trước các gối tựa đầu mút của các xi lanh thuỷ lực được chống vào đốt vỏ tunnel cuối cùng vừa lắp đặt xong để đẩy khiên tiến lên. Khi thi công trong nền đá cứng người ta dùng các chân chống thuỷ lực (Gripper Shoes) tỳ vào vách lò để đẩy tổ hợp khiên tiến lên. Có hai loại tổ hợp đào lò trong đá cứng: Tổ hợp máy đào đá cứng không cần khiên bảo vệ và tổ hợp máy đào đá cứng với khiên bảo vệ (loại đơn và loại đôi). 5.2.2. Phân loại khiên và tổ hợp khiên Khiên có nhiều loại, song có thể phân loại theo các dấu hiệu sau: theo mức độ cơ giới hoá; theo công dụng của lunnel; theo phương pháp bảo vệ gưcíng đào, theo công nghệ dào lò, gia c ố vách hầm và theo tiết diện mặt cắt ngang của tunnel đào v .v ... 1. T h eo m ức đ ộ c ơ g ió i h o á Theo mức độ cơ giới hoá đào bốc xúc đất đá, vận chuyển đất đá và xây lắp vỏ tunnel, các tổ hợp khiên đào hầm lò được chia thành những nhóm sau: + Khiên dào lò ihủ công; + Khiên đào lò bán thủ công; + Tổ hợp khiên đào lò cơ giới hoá 100%. 2. T h eo c ô n g d ụ n g củ a tu n n el Theo công dụng của tunnel các tổ hợp khiên đào lò được chia làm hai nhóm: + Nhóm tổ hợp khiên đào lò chuyên dùng để đào tunnel dành cho giao thông như các tổ hợp đào đường hầm metro, đường hầm ô tô, đường hầm đường sắt v .v ... + Nhóm tổ hợp khiên đào lò chuyên dùng để đào tunnel cho hạ tầng cơ sở đô thị như đường ống thoát nước, đường ống lắp đặt các cáp điện, viễn t h ô n g v . v . .. 3. T h eo p h ư ơ n g án ch ổ n g sạt lở g ư ơ n g đào Theo phương án chống sạt lở gương đào các tổ hợp khiên đào lò được chia làm bốn nhóm sau: + Nhóm tổ hợp khiên đào lò trong đất có khả năng tự ổn định, không có khoang bảo vệ gương đào (non Pressure Balance Shields); + Nhóm tổ hợp khiên đào lò bảo vệ gương đào bằng khoang chứa đất (Earth Pressure Balance Shields); 125
+ Nhóm tổ hợp khiên đào lò bảo vệ gưofng đào bằng khoang thuỷ lực (Bentonite- Slurry Supported Shields); + Nhóm tổ hợp khiên đào lò bảo vệ gương đào hỗn hợp (Mix Pressure Balance Shields). 4. Theo sô' khiên trong một tổ hợp Theo số khiên trong một tổ hợp, các tổ hợp khiên đào lò được chia làm các nhóm sau: + Nhóm tổ hợp khiên đào lò với một khiên bảo vệ - Single Shield T B M ; + Nhóm tổ hợp khiên đào lò với hai khiên bảo vệ - Double Shields; + Nhóm tổ hợp khiên đào lò với guốc chống vào thành lò - Gripper TBM . 5. Theo các dấu hiệu khác Ngoài ra khiên đào lò còn được phân loại theo các dấu hiệu khác như: * T h eo diện tích m ặt cắt tunnel đ à o : Khiên loại nhỏ (đường kính nhỏ hơn 3,2 m), khiên loại trung bình (đường kính nhỏ hơn 5,2m) và loại lớn (đường kính lớn hơn 5,2m). Tổ hợp khiên đào tunnel lớn nhất hiện nay có đường kính 19m do hãng Herrenknech - CHLB Đức sản xuất bán cho một công ty hạ tầng cơ sở Moskva. * T h eo lĩnh vực ứng dụng đ à o lò các khiên đào lò được chia thành các nhóm sau: - Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất ngập nước; - Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất thể hạt có độ ẩm bình thường; - Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất độ ổn định kém có độ ẩm bình thường; - Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất có độ cứng lừ 0 ,5 -5 theo bảng chia của G S Prôkôbôvsky. - Khiên đào lò dùng để đào tunnel trong đất có độ cứng lớn hofn 5 theo bảng chia của GS. Prôkôbôvsky. * Dựa vào hình dạng m ặt cắt của khiên, khiên được chia thành các nhóm sau; + Khiên tròn; + Khiên hình elíp; + khiên hình chữ nhật; + Khiên hình móng ngựa. Tunnel ngầm có mặt cắt tiết diện ngang hình tròn có thể chống lại áp lực đất và áp lực nước tương đối tốt, lắp ráp vỏ hầm tưcíng đối đcfn giản, có thể dùng cấu kiện thông dụng, dễ thay thế, vì thế được dùng tưcíng đối rộng rãi nên các tổ hợp khiên thường có dạng trụ tròn. Trên thực tế có các loại khiẻn và tổ hợp khiên sau: - Khiên thủ công; 126
- Khiên bán thủ công; - Tổ hợp khiên loại thường không có khoang bảo vệ gương đào; - Tổ hợp khiên với khoang giữ gương đào bằng đất (earth pressure balance shield); - Tổ hợp khiên với khoang giữ gương đào bằng dung dịch betonite (Slurrypressure balance shield); - Tổ hợp máy đào hầm lò trong nền đá cứng; - Ngoài ra còn có các loại khiên và tổ hợp khiên đặc biệt với khoang giữ gương đào bằng khí nén. Loại này là sự kết hợp khiên thủ công với khoang khí nén, khiên bán thủ công với khoang khí nén. 5.2.3. ưu - nhược điểm của khiên đào 1. ư u điểm - Dưới sự che chống của khiên có thể đào và xây vỏ một cách an toàn; - Tốc độ thi công nhanh. Toàn bộ quá trình hoạt động của khiên như: đào, đưa đất đá ra, lắp ráp vỏ hầm v.v... có thể cơ giới hoá, tự động hoá để giảm cường độ lao động; - Quá trình thi công không ảnh hưởng đến giao thông và công trình trên mặt đất cũng như giao thông thuỷ; - Trong Ihi công không bị ảnh hưởng bởi thời tiết; - Trong thi công không gây tiếng ồn và chấn động, không gây ô nhiễm môi trưòrng xung quanh; - Xây dựng trong đường hầm dài trong vùng đất mềm yếu ngậm nước, hoặc ở dưới sâu luôn có tính ưu việt về inật kỹ thuật và kinh tế, vì thế phương pháp thi công bằng khiên thích hợp nhất là xây dựng đường hầm trong địa tầng rời rạc, mềm yếu và có nước ngấm, xây dựng đường hầm dưới đáy sông, trong thành phố (xây dựng metro) và các loại công trình hạ tầng đô thị khác. 2. N hư ợc điểm Phương pháp thi công bằng khiên thích hợp với đường hầm dài (có một số tài liệu cho biết thi công các đường hầm ngắn hơn 750m thì không kinh tế). Bởi vì khiên là một tổ hợp thiết bị cơ giới rất đắt, có tính chuyên dụng rất cao, mỗi loại thích hợp với điều kiện thuỷ văn, địa chất, kích thước mặt kết cấu riêng đã được thiết kế ch ế tạo đặc biệt, không thể thay đổi sử dụng một cách tuỳ tiện cho các công trình ngầm khác. Ngoài ra, nếu đường hầm có bán kính cong quá nhỏ hoặc lớp đất phủ trên hầm quá nông thì gặp rất nhiều khó khãn. Đường hầm dưới đáy nước nếu gặp lớp phủ quá nông thi công sẽ không an toàn. Khi ihi công bằng khiên nếu dùng phương pháp giếng chìm để ổn định gương đào, thì người lao động rất dễ bị bệnh “giếng chìm”, và ngoài ra còn rất nhiều bệnh khác liên quan nên yêu cầu bảo hộ đối với lao động phải rất cao. Khi thi còng bằng khiên rất 127
khó tránh lún trong lớp đất phía trên, nhất là chỗ tầng đất mềm yếư lại có nước, khi lắp vỏ hầm phải chú ý phun vữa \'ào sau lưng vỏ hầm. Những khuyết điểm nói trên trong thi công bằng khiên đang được nghiên cứu khắc phục. Với những tuyến ngầm có chiều sâu không lớn lắm nên thi công bằng công nghệ đào hớ vì với lớp đất phủ nhỏ cùng với điều kiện địa chất không ổn định sẽ dẫn tới hiện tượng sạt lớ đất bề mặt (hình 5.11). Nếu vì lý do đặc biệt bắi buộc phải Ihi công bằng khiên thì phải có giải pháp ổn định địa tầng hợp lý và đặc biệt không được thi công bằng tổ hợp khiên cân bằng áp lực gương đào bằng khí nén (Air- pressure balance). Hình 5.11. Hiện tượng sạt lở dứt khi thi công hằng khiéii có dộ sáu khõiìg (lủ lớn: 1 - vỏ khiên; 1’- khoảng không gian phía sau mâm dao cắi; 2 - khoảng không gian phía sau vỏ tunnel sau lấp ráp xong phải dược ép đầy vữa; 3 - vỏ tuiinel sau lắp ráp; 4 - mâm dao cắt; 4 ’ - dấl phía Irước mâm dao bị sạt lở; 5 - kích ihuỷ lực (Kk dầu là kích vít); 6 - Thiết bị lắp ráp các đoạn vỏ lò; 7 - băng tải đất đá; 8 - goòng chở đất bánh sắt; 9 - các đoạn vỏ tunnel chưa lắp Tuy nhiên, giá thành một tổ hợp máy T B M là không rẻ, theo tính toán nếu chiều dài của tuyến ngầm nhỏ hơn 7 50 m thì sử dụng tổ hợp khiên đào ngầm không hiệu quả vé mặt kinh tế. Mặt khác, mỗi một tổ hợp khiên đào ngầm chỉ có hình dáng và kích thước phù hợp với một tuyến ngầm tunnel nhất định nên việc dùng tổ hợp của tuyến này sang thi công cho tuyến có mặt cắt tiết diện khác là không phù hợp và di chuyến máy giữa các công trình gặp nhiều khó khăn do phải tháo rời và kích thước máy quá lớn. 5.2.4. P h ạm vi ứng dụng của khiên và tổ hợp khiên đào Công nghệ thi công kín bằng khiên đã được ứng dụng trong xây dựng công trình ngầm hạ tầng kỹ thuật ờ các đô thị như; đường ngầm thoát nước, đường cáp điện lực, viễn thông...m à không cấn phải đào bới gây cản trở nhịp sống đô thị. Công nghệ này được gọi là công nghệ thi công tunnel mặt cắt nhỏ Microtunnelling (hình 5.12). Công nghệ thi công bằng khiên và tổ hợp khiên dùng để đào các tuyến ngầm đi qua các vùng núi đá thay cho công nghệ khoan nổ mìn để xây dựng tunnel dẫn nước cho các nhà máy thuỷ điện, các luyến ngầm giao thông đường sắt, đường bộ v.v ... 128
2 3 4 E ® !Í S £ _ 5 H B I S ^ 6 t^-12 — ^15 Hinh 5.12. Công nghệ thi công tiinnel mặt cắt nhỏ Microtunnelling 1- Bể lằng hoặc máy tách đất; 2- Phòng điều khiển; 3- Cầu trục; 4- Các công trình trên mặt đất; 5- Bơm cấp nước; 6- Hệ thống ống dẫn; 7- Giếng khởi động nhìn từ trên xuống; 8- Khung ép ống với hệ thống thuỷ lực công suất lớn; 9- Máy trắc đạc Laze; 10- Khiên dào; 11- Các đốt ống bê tông cốt thép; 12- Giếng khởi động; 13- Bơm bùn; 14- Đường ống sau khi lắp; 15- Giếng cuối. Đặc biệt các tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng đất và bằng dung dịch bentonite dùng để thi công các tuyến ngầm giao thông ở những nơi có điều khiện địa chất phức tạp. Các tổ hợp khiên này đã và đang được sử dụng để xây dựng các tuyến giao ihông đường sắt đô thị (metrô), các tuyến giao thông đường bộ đường sắt xuyên qua sông, eo biển và cả những vùng đất sình lầy. Trong tổng số đường hầm ngầm thi công bằng công nghệ khiên ở các nước khoảng 7 0% được xây dựng cho dẫn nước, 3 0% dùng cho Mêtrô và đường ôtỏ. Hiện nay đường hầm ngầm dưới đáy sông được xây dựng bằng công nghệ khiên ở trên thế giới đã có hơn 20 tuyến, và sự nghiệp phát triển giao thông đưòìig bộ, đường hầm ngầm ô tô dưới đáy sông được xây dựng bằng công nghệ khiên ở các nước sẽ ngày một tăng lên. Tại Việt Nam (cụ thể là thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội) đã và đang xúc tiến thực hiện hàng loạt các tuyến đường sắt cao tốc đô thị, trong đó có nhiều tuyến bắt buộc phải đi ngầm trong lòng đất. Với đặc điểm địa chất của cả hai thành phố là nền đất yếu có nhiều nước ngầm, nhiều địa điểm tuyến phải đi qua các túi bùn v.v... thì việc phải sử dụng các tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực hỗn hợp bằng đất và bằng dung dịch bentonite (Mix pressure balance shields) hiện đại là bắt buộc mặc dù giá thành sẽ bị đẩy lên rất cao. 5.2.5. Công nghệ thi cồng tunnel m ặt cá t nhỏ bằng tổ hợp khién đào Công nghệ thi công tunnel mặt cắt nhỏ bằng tổ hợp khiên đào lò hay còn gọi là công nghệ kích đẩy ịP ip e .ỉơcking) - là công nghệ lắp đặt các hệ thống đường ống ngầm hạ tầna kỹ thuật đô thị mà không cần thực hiện đào bới lộ thiên như các công nghệ truyền thống. 129
Công nghệ này được sử dụng chủ yếu cho các đường hầm có đường kính nhỏ đặt ở chiều sâu không lớn lắm và xây dựng tại những nơi mà công nghệ đào hở khỏng thích hợp. Công nghệ kích đẩy về bản chất, đó là “Công nghệ hạ giếng ngang". Cùng cơ sở như nhau cũng có thể gọi nó là công nghệ “khiên đào mini”. Bản chất công nghệ là vì chống lubin kín được lắp đặt vòng nọ tiếp vòng kia trong khoang chuyên dùng cách xa gương hầm. Cùng trong khoang đó, người ta thực hiện kích ép vì chống vào gưong hầm theo tiến trình đào đất. Để giảm ma sát vì chống với khối đất, không gian phía sau tubin được bơm vữa sét, Điểm khác biệt giữa của công nghệ này so với công nghệ lắp đặt đường ống bằng công nghệ đào hở là, công nghệ không đòi hỏi phải ngừng các tuyến giao thông, đào bới các vườn hoa và các ảnh hưỏfng khác trong hoạt động của đố thị trên mặt đất. Công nghệ này cũng khác với các công nghệ thi công ngầm hạ tầng kỹ thuật khác ở chỗ, nó không đòi hỏi công tác chuẩn bị quá dài, liên quan tới đào lò đứng. Để lắp đặt đường ống tunnel ngầm theo công nghệ này chỉ cần hai giếng đứng: một giếng đầu khởi động và một giếng cuối tiếp nhận, cả hai có độ sâu đúng bằng độ sâu đường ống cần phải lắp đặt. Trong giếng đầu khởi động người ta lắp đặt một trạm tổ hợp kích thuỷ lực công suấi lớn, trên các kích đó bố trí tổ hợp Tchiên đào lò có đường kính bằng đường kính ngoài của đốt ống bê tông tiền chế cần lắp đặt. Quy trình công nghệ như sau: - Các kích thuỷ lực tỳ vào vỏ khiên và đẩy khiên cùng với mâm dao cắt tiến về phía trước để đào lò, khi hết hành trình người ta thu các cần đẩy của kích lại và lắp các đoạn ống thép vào và kích lại đẩy ra đến khi hết hành trình người ta lại lắp các đoạn ống khác có chiều dài lớn hơn vào và một chu kỳ đẩy mới lại tiếp tục. - Khi chiều dài của các đoạn ống thép và hành trình của cần kích thuỷ lực đã lớn hơn chiều dài của một đoạn ống bê tông cốt thép thì từ trên mặt đất một đoạn ống được đưa xuống một đầu được ghép vào vỏ khiên, đầu còn lại được tỳ vào vành tỳ với các đầu đẩy của các kích thuỷ lực một chu kỳ mới lại bắt đầu. Với kết cấu như vậy người ta tiết kiệm được không gian giếng khởi động cũng như giếng tiếp nhận. Đưa đốt bê tông cốt thép xuông giếng khới động để ộp Hình 5.13. Tổ hợp khiên đào AVN của hãng Herrenknecht AG LB. Đức 130