Phân tích và kiến nghị các tiêu chí để lựa chọn các phương pháp vận chuyển vật liệu đào khi thi công hầm bằng máy đào hầm TBM

Đối tượng nghiên cứu Các phương thức vận chuyển đất đá khi sử dụng phương pháp đào hầm cân bằng áp lựcđất EPB TBM và sử dụng dung dịch bùn TBM 3.. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐÀO HẦM KIỂU MỚI 3

1.1 Giới thiệu 3

1.1.1 Thi công hầm bằng khiên đào 3

1.1.2 Ưu điểm của phương pháp thi công hầm bằng khiên đào 3

1.1.3 Nguyên lý hoạt động 5

1.2 Phân loại máy đào hầm 5

1.3 Phương pháp thi công 6

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG THỨC VẬN CHUYỂN 7

2.1 Vận chuyển bằng đường ray 7

2.1.1 Vận chuyển bằng toa xe 7

2.1.2 Đầu máy lai dắt vận chuyển bằng ray 8

2.1.3 Vận chuyển một tuyến 8

2.2 Băng tải 9

2.3 Máy bơm 13

CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC VẬN CHUYỂN 15

3.1 Điều kiện địa chất tại khu vực xây dựng hầm 16

3.2 Kích thước của hầm 16

3.3 vật liệu đào của máy TBM 17

3.4 Khả năng tái sử dụng của vật liệu đào 17

3.5 Tốc độ thi công hầm thiết kế 18

3.6 Khối lượng vật liệu đào 18

3.7 mặt bằng công trường 19

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 21

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Xác định hình thức vận chuyển đất đá tốt nhất cho phương thức đào hầm bằng máy TBM

2 Đối tượng nghiên cứu

Các phương thức vận chuyển đất đá khi sử dụng phương pháp đào hầm cân bằng áp lựcđất EPB TBM và sử dụng dung dịch bùn TBM

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết các phương pháp vận chuyển vật liệu đào trong thi công hầm bằngmáy đào hầm TBM

- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến từng phương pháp

- Phân tích và kiến nghị các tiêu chí để lựa chọn các phương pháp vận chuyển vật liệu đàokhi thi công hầm bằng máy đào hầm TBM

4 Kết cấu báo cáo

Chương 1: Tổng quan về phương pháp đào hầm kiểu mới

Chương 2: Phương thức vận chuyển

Chương 3 : Lựa chọn phương thức vận chuyển

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐÀO HẦM KIỂU

MỚI

1.1 GIỚI THIỆU

Trong đô thị hiện đại, phần lớn các hệ thống kỹ thuật hạ tầng như đường ống cấp thoátnước, đường cáp điện, đường cáp viễn thông, đường ống cấp khí gas, đường hầm tàu điệnngầm… được lắp đặt dưới dạng tuyến ống ngầm phía dưới mặt đất Công tác thi công lắpđặt các tuyến ống này có thể tiến hành theo phương pháp đào mở từ trên mặt đất, lắp đặtống đúc sẵn và lấp lại, hoặc theo phương pháp đào kín, dùng máy khoan ngầm phía dướilòng đất Trong phương pháp đào kín có hai công nghệ chính: công nghệ khiên đào(TBM) tiến hành lắp ghép các mảnh vỏ hầm với nhau ngay trong lòng máy khoan và côngnghệ khoan kích (Pipe jacking) kích đẩy những đốt cống đúc sẵn đặt ở sâu trong lòng đất

1.1.1 Thi công hầm bằng khiên đào

TBM hay máy thi công hầm bằng khiên đào là hệ thống thiết bị cơ giới hoàn chỉnh, baogồm đầu cắt ở phía trước để đào đất đá, tiếp đó là thân khiên đào hình trụ để chống đỡ tiếtdiện vừa đào và thi công đổ tại chỗ hoặc lắp ghép vỏ bê tông cốt thép đúc sẵn tạo thànhkết cấu chính của đường hầm, phía sau cùng là hệ thống cấp năng lượng, thủy lực, khínén,… và vận chuyển bùn thải ra bên ngoài bằng hệ thống bơm hoặc băng tải

Thi công hầm bằng khiên đào phù hợp với các công trình ngầm có đường kính lớn, cáccông trình ngầm giao thông đô thị (đường hầm tàu điện ngầm, đường hầm vượt sông,…)

Hình.1.1.1.1.a.1.1 Đầu cắt của TBM 1.1.2 Ưu điểm của phương pháp thi công hầm bằng khiên đào

hay đất cát dưới mực nước ngầm, đi xuyên núi hay dưới lòng biển;

động như nổ mìn;

đá và lắp vỏ hầm theo một chu trình được kiểm soát nghiêm ngặt, khi thi cônghầm bằng TBM thì trên mặt đất xe cộ vẫn chạy bình thường;

và lắp vỏ bê tông trung bình từ 10-20m/ngày trong đất yếu và 50-100m/ ngàytrong địa chất là đá Đó là chưa kể đến những ưu điểm khác như ít làm ô nhiễmmôi trường, hiệu quả kinh tế cao khi công trình được đưa vào sử dụng nhanhhơn

Hình.1.1.2.1.a.1.1 Bên trong máy đào hầm

1.1.3 Nguyên lý hoạt động

Thi công hầm bằng khiên đào dựa trên nguyên lý tạo ra áp lực cân bằng với áp lực đất vànước ngầm tại gương đào nhằm hạn chế sự thay đổi trạng thái ứng suất có thể gây ra mất

ổn định dẫn tới các biến dạng/chuyển vị trước gương hầm

1.2 PHÂN LOẠI MÁY ĐÀO HẦM

Hiện tại, có 2 loại thiết bị khiên đào chính là EPB-TBM và Slurry-TBM được phân biệtvới nhau dựa trên nguyên lý tạo ra áp lực cân bằng khác nhau (EPB – Hỗn hợp đất đào vàphụ gia; Slurry – Vữa bùn) cũng như phạm vi áp dụng cho từng loại địa chất khác nhau:EPB-TBM phù hợp loại địa chất có nhiều thành phần hạt mịn và Slurry-TBM phù hợp vớiđịa chất rời rạc

Hình.1.2.1.1.a.1.1 Đồ thị đường cong phân bố thành phần hạt đất liên quan đến sự lựa

chọn EPB TBM và slurry TBMĐối với thành phần hạt là sét, bùn, cát có kích thước hạt từ 0.002÷0.07 (thành phần hạtmịn) ta sử dụng máy đào hầm EPB TBM

Đối với thành phần hạt là cát, sỏi có kích thước hạt từ 2.0÷60 (đất rời rạc) ta sử dụng máyđào hầm slurry TBM

1.3 PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG

Qua phần trên ta có thể thấy sơ đồ công nghệ đào hầm bằng phương pháp khiên đàorất đa dạng Việc lựa chọn loại máy khiên đào sử dụng phụ thuộc vào nhiều yêu tố: điềukiện địa chất, địa chất thủy văn, sự tồn tại của công trình bề mặt Tương ứng với mỗi loạimáy khiên đào, sơ đồ công nghệ thi công nghệ thi công từng phần việc trong quá trìnhđào cũng khác nhau Tuy nhiên, có thể nêu ra quy trình thi công điển hình trong phươngpháp đào sử dụng khiên đào như sau

Hình.1.3.1.1.a.1.1 Sơ đồ thì công điển hình bằng máy khiên đào

công;

biện pháp chống đỡ, giữ ổn định gương trong khi đào;

vỏ hầm thông thường là lớp vỏ bê tông lắp ghép, ngoài ra có thể thêm lớp vỏ thứ hai bêntrong tùy thuộc vào yêu cầu, mục đích sử dụng của đường hầm; Bơm vữa lấp đầy sau vỏchống;

khiên đào

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG THỨC VẬN CHUYỂN

Một trong những công tác cơ bản của thi công đường hầm là vận chuyển đất đá rakhỏi tuyến thi công Công tác vận chuyển đất đá ra ngoài chiếm 40 - 60% thời gian mộtchu kỳ thi công tuần hoàn, vì thế năng lực đưa đất đá ra ngoài ảnh hưởng rất lớn đến tốc

độ thi công

Khi lựa chọn phương thức vận chuyển đất đá ra cần phân tích tổng hợp các yếu tố cóliên quan đến hầm hoặc mặt cắt đường hầm: đào to hay đào nhỏ, điều kiện địa chất củađất đá, lượng đất đá sinh ra trong một lần nổ mìn, tốc độ đào đất của máy chính, năng lựcvận chuyển của các máy móc trong dây chuyền đồng bộ, các yêu cầu về tính kinh tế nhưhiệu quả đầu tư, thời hạn thi công v.v…

2.1 VẬN CHUYỂN BẰNG ĐƯỜNG RAY

2.1.1 Vận chuyển bằng toa xe

Toa xe vận chuyển gồm có toa thùng và toa xe mỏ

chuyển bằng toa thùng là phương thức vận chuyển tương đối kinh tế Theo dung lượnglớn hay nhỏ có thể chia ra làm hai loại: loại thùng nhỏ (dung lượng dưới 3 m3) và loạithùng lớn (tới 20 m3)

Loại thùng nhỏ được sử dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm: gọn nhẹ, linh hoạt, hiệu suất cao,điều thùng tiện lợi, có thể dùng sức người đẩy và lật thùng đổ đất đá khi không có máymóc lai dắt Loại toa thùng lớn có thể đạt đến 20m3 (có cơ cấu giúp xe đổ một bên hoặclật để đổ đất đá), phải dùng đầu máy kéo kết hợp với máy bốc đất đá loại lớn mới bảođảm tốc độ thi công Đường sắt để vận chuyển loại toa thùng lớn đặt ra những yêu cầucao hơn về chất lượng, nhưng khi dùng toa thùng lớn có thể giảm thiểu số lần thao tácđiều xe, do đó rút ngắn được thời gian bốc đất đá

hướng, đáy thùng xe có bố trí bản gạt hoặc cơ cấu chuyển tải kiểu xích, tiện cho việc bốcđầy thùng xe và chuyển tải hoặc giúp cho việc đổ đất đá ra phía sau (hình 4) Loại toa xenày không yêu cầu điều kiện cao khi bốc đất đá, có thể bảo đảm vận chuyển tốc độ lớn,nhưng cấu tạo phức tạp, chi phí sử dụng cao

Toa xe mỏ có dung lượng 6 – 18 m3 có thể sử dụng từng toa một, cũng có thể sử dụng kếthợp 2-4 toa để giảm thiểu số lần điều xe Cơ cấu tự động đổ đất đá nhờ vào bản móc, có

thể đổ ra đằng sau, cũng có thể làm cho giá chuyển hướng trước và sau lần lượt đặt lên haiđường gần nhau, thực hiện đổ đất đá ra mặt bên của đường ray, sử dụng phạm vi đổ đất

đá Khổ đường ray là 2,0 - 2,5 m

Hình.2.1.1.1.a.1.1 Toa xe mỏ (kích thước bằng mm

1-bộ giảm tốc bánh xoắn; 2- thân xe đằng trước; 3- giá đỡ máy điện và bộ phậnchuyển động bằng xích; 4- thân xe phía sau; 5- trục truyền động vạn hướng; 6-thanh lai dắt; 7- thanh nối để lai dắt

2.1.2 Đầu máy lai dắt vận chuyển bằng ray

Đầu máy lai dắt chạy trên đường ray có các loại: đầu máy chạy bằng ắc qui, đầumáy chạy diesel, chủ yếu dùng để lai dắt vận chuyển trong đường hầm với độ dốc khônglớn lắm Khi dùng toa xe loại nhỏ và ở độ dốc thoải, đường hầm ngắn có thể dùng sứcngười đẩy

Đầu máy dùng ắc quy tuy không gây ô nhiễm song phải nạp ắc-quy, năng lượng cóhạn Khi cần thiết có thể tăng số ắc-quy lên để bảo đảm tốc độ và năng lượng vận chuyểncủa đầu máy

Đầu máy diesel có năng lực lai dắt khá lớn, nhưng gây tiếng ồn và ô nhiễm khôngkhí Khi sử dụng đầu máy diesel thường phải lắp thiết bị lọc khí và tăng cường thông gió

đồ chạy tàu tối ưu nhằm giảm thiểu thời gian chờ đợi tránh tàu Chiều dài tuyến ga tránhphải đảm bảo tránh nhau an toàn và bố trí được cả đoàn tàu

Hình.2.1.3.1.a.1.1 Bố trí đường ray vận chuyển một tuyến:

2.2 BĂNG TẢI

Băng tải được sử dụng rộng rãi để vận chuyển liên tục vật liệu theo phương nganghoặc nghiêng Chúng cho năng suất cao (tới vài nghìn t/h) và có thể vận chuyển đi xa tớihàng cây số Trong xây dựng thường dùng loại băng tải di động và băng tải cố định

Băng tải di động vận chuyển vật liệu ở cự ly 10 – 15 m và dỡ vật liệu ở độ cao 2 – 4m

Băng tải cố định có khung bệ làm thành từng đoạn 2 – 3 m lắp ráp với nhau Băngtải này thường dài 50 – 100 m và có thể tăng-giảm chiều dài bằng cách thêm-bớt các đoạnkhung theo tính toán Băng tải còn được sử dụng như một cơ cấu vận chuyển của máy đàonhiều gầu, máy rải bê tông

Băng tải gồm băng 4 tựa trên các con lăn đỡ 5 ở nhánh có tải và 8 ở nhánh khôngtải, vòng qua tang dẫn động 6 và tang căng 2 Chuyển động của băng truyền từ tang dẫnqua băng nhờ lực ma sát Trục tang dẫn động nối với động cơ 10 qua hộp giảm tốc 9.Tăng lực kéo bằng cách lắp thêm tang 7 cạnh tang dẫn làm tăng góc ôm α Để băngkhông bị chùng và tăng lực kéo thường dùng bộ căng băng kiểu vít hay đối trọng 1

Băng vừa là bộ phận mang vật liệu vừa là bộ phận kéo Thường dùng nhất là loạibăng vải cao su hay dệt bằng sợi tổng hợp Lớp vải bền là loại chuyên dùng làm đai Lớpcao su phía trên dày hơn phía dưới vì chịu mài mòn nhiều hơn Số lớp và chiều rộng băng

là những số liệu đã được tiêu chuẩn hóa B = 0,4 - 1,6m

tải trọng càng lớn thì phải chọn băng có lớp vải càng nhiều

Số lớp vải được xác định theo công thức:

i= Smax

B × K

Trong đó B - chiều rộng băng, m;

K - tải trọng phá hỏng cho phép của một lớp vải có chiều rộng 1m, N; Smax - lực kéo bănglớn nhất ở nhánh cuốn vào tang dẫn động, N.

Đối với phần lớn băng tải K = 460 - 550 daN Băng tải chuyên dùng có tải trọng pháhỏng băng lớn gấp hai lần so với băng tải thường Con lăn ở nhánh có tải có thể dùng loạicon lăn thẳng hoặc con lăn đỡ hình lòng máng, còn ở nhánh không tải thường dùng loạicon lăn đỡ thẳng Nhánh có tải thường dùng loại lòng máng vì chứa được nhiều vật liệulàm tăng năng suất của băng tải Con lăn đỡ hình lòng máng thường là tổng hợp của haihoặc ba con lăn đỡ thẳng Đối với băng tải dùng loại băng bình thường (mặt nhẵn), gócnghiêng tải vận chuyển vật liệu rời không quá 18 - 290, vận chuyển gạch không quá 25 -

300 Để tăng độ nghiêng vận chuyển của băng tải đến 600, băng tải di động không có conlăn đỡ ở nhánh không tải, có thể dùng băng chuyên dùng có gờ

Khi lắp ráp băng tải, cần phải nối bằng cách dán hai đầu lại bằng nhựa cao su, ép lạirồi đốt nóng, nối bằng khớp thép, vòng thép chuyên dùng và các vòng thép nối với nhaubằng cáp thép

Hình.2.2.1.1.a.1.1 Băng tải

a)Sơ đồ kết cấu; b) Con lăn đỡ; c) Sơ đồ lực ở tang dẫn động; d) Diện tích mặt cắt vật liệutrên băng phẳng; e) Diện tích mặt cắt vật liệu trên băng lòng máng

Ta thấy lực kéo của tang dẫn P được xác định như sau:

P = T – tTrong đó T - lực căng băng trên nhánh cuốn, daN

t - lực căng băng trên nhánh nhả, daN

Lực dẫn động trong băng tải được truyền từ tang dẫn qua băng nhờ ma sát Vì vậy đểbăng khỏi bị trượt trên tang dẫn phải đảm bảo thoả mãn công thức Ơle:

T =t × e fαα

Trong đó f - hệ số ma sát giữa băng và tang dẫn;

α- góc ôm của băng trên tang, độ

Từ đó suy ra:

P=T(1− 1

e fαα)

Từ công thức trên ta thấy lực kéo P có thể truyền từ tang qua băng tỷ lệ thuận với hệ

số ma sát giữa băng và tang dẫn f, với góc ôm của băng trên tang α, với lực căng của băngtrên nhánh cuốn

Để đảm bảo cho băng tải làm việc bình thường phải: thường xuyên theo dõi, kiểmtra các con lăn đỡ băng và định kỳ tra dầu mỡ các ổ của con lăn đỡ, kịp thời thay các conlăn hỏng Thường xuyên điều chỉnh cho băng chuyển động đúng hướng, theo dõi, kiểmtra trạm căng băng, phễu nạp liệu, dỡ liệu và các thiết bị làm sạch băng

Cấm không được: cọ rửa, sửa chữa băng tải khi băng đang làm việc, mở máy màkhông có tín hiệu báo trước

Năng suất của băng tải xác định theo công thức:

v - tốc độ vận chuyển vật liệu, m/s;

Đối với băng phẳng, mặt cắt của dòng vật liệu có hình tam giác cân Để vật liệukhông bị rơi vãi ra khỏi băng, thì đáy của tam giác cân phải bằng 0,8 chiều rộng của băng

B và góc đáy 1 bằng 35% góc trượt tự nhiên của vật liệu ở trạng thái tĩnh 0 Với vật

Trong tính toán người ta đưa thêm hệ số c phụ thuộc vào góc nghiêng của băng tải

Diện tích mặt cắt dòng vật liệu trên băng phẳng

chiều dài con lăn dưới a = 0,39B

Trong đó DP - kích thước cục vật liệu lớn nhất, m;

DC - kích thước cục vật liệu trung bình, m

Trong xây dựng thường sử dụng băng tải có năng suất 60 - 140 t/h với chiều rộng băng0,4 - 0,5 m và vận tốc 1 – 16 m/s

2.3 MÁY BƠM

Phương pháp bơm dung dịch được sử dụng khá rộng rãi trong cả khiên khí nén,khiên chất lỏng có áp và khiên cân bằng áp lực đất vì nó vừa đóng vai trò giữ ổn địnhgương đào vừa cho phép vận chuyển mùn đất ra khỏi gương và đưa lên mặt đất, được sửdụng khi đường hầm có kích thước lớn hơn 1400mm Trong phương pháp này, đất đào ratại gương được hòa lẫn với dung dịch vận chuyển, có thể là nước nếu trong khối sét hoặcdung dịch bentonite hoặc hợp chất cao phân tử nếu đào trong đất cát Phương pháp này sửdụng rất hiệu quả trong đất ướt và chiều dài cung đoạn vận chuyển lớn hơn 150m

Vật liệu được vận chuyển trong đường ống dưới hai dạng: dòng đặc, dòng loãng.Tương ứng với chúng mà loại máy bơm sử dụng cũng khác nhau Máy bơm ly tâm đượcdùng để vận chuyển đất khi là dòng loãng và máy bơm pittong sử dụng dưới dạng đặc

Hình.2.3.1.1.a.1.1 a, Máy bơm ly tâm vận chuyển vật liệu dạng dòng loãng.

b, Bể lắng tách nước với chất thải

Hình.2.3.1.1.a.1.2 a, Máy bơm pittong vận chuyển chất thải dạng dòng đặc

b, Vật liệu dạng dòng đặc ra khỏi ống vận chuyển

Trong trường hợp thứ nhất, hỗn hợp đất và dung dịch hòa lẫn với nó được máy bơm

Đường kính ống bơm phải lớn hơn 3 lần đường kính hạt đất thải lớn nhất Để tách nướckhỏi vật liệu đào, phía trên mặt bằng bố trí bể lắng hoặc dùng trạm phân tách Phươngpháp này áp dụng trong trường hợp đất thải dạng vón cục, không đều

Trong trường hợp thứ hai, có thể bơm trực tiếp lên mặt đất không qua hệ thống xử

lý Phương pháp vận chuyển này áp dụng khi đất thải có độ mịn cao

Dung dịch bentonite phải được đổ đúng quy định để tránh làm ảnh hướng tới môitrường

CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC VẬN CHUYỂN

Việc lựa chọn phương thức vận chuyển trong thi công hầm bằng máy đào hầm TBM có ýnghĩa hết sức quan trọng, ảnh hưởng đến tiến độ thi công và giá thành công trình

Các phương thức vận chuyển dựa trên các căn cứ lựa chọn:

- Điều kiện địa chất tại khu vực xây dựng hầm

- Kích thước của hầm

- Sản phẩm vật liệu đào của máy TBM

- Khả năng tái sử dụng của vật liệu đào

- Tốc độ thi công hầm thiết kế

- Khối lượng vật liệu đào

- Mặt bằng công trường

Hình.3.1.1.1.a.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến công tác lựa chọn phương thức vận

chuyển cho thi công hầm bằng máy TBM

Lựa chọn phương thức vận chuyển

Kích thước của hầm

Khả năng tái sử dụng

Tốc độ thi công hầm

Khối lượng vật liệu đào

Mặt bằng công trường