Nghiên cứu đề xuất công nghệ thi công đường hầm metro line 3 đoạn Nhổn ga Hà Nội bằng máy đào hầm TBM

Việt Nam là nước đang phát triển nên việc quy hoạch xây dựng cơ sở hạ tầng đồng bộ như các hệ thống cấp thoát nước, hệ thống đường dây thông tin liên lạc, hệ thống đường dây điện v.v… là điều rất cần thiết. Ở các thành phố, những hệ thống này xuyên qua hệ thống giao lộ có lưu lượng giao thông rất lớn. Vậy nên việc xây dựng các công trình ngầm (CTN) này cần phải được xem xét cẩn thận làm sao tiến độ thi công là nhanh nhất và giảm được sự tác động của môi trường xung quanh. Phương pháp thi công bằng máy đào hầm TBM là phương pháp thi công có thể đảm bảo được các yêu cầu trên. Khi sử dụng phương pháp thi công bằng Máy TBM này có thể giảm thiểu đáng kể các tác động của xã hội và môi trường so với phương pháp đào truyền thống. Phương pháp này là phương pháp tiên tiến phù hợp với thi công các CTN tại các đô thị, các khu dân cư tập trung nơi có điều kiện thi công khó khăn, mặt bằng chật hẹp, mật độ giao thông cao. Phương pháp thi công CTN bằng Máy TBM là phương pháp thi công cơ giới hóa cao nên công tác quản lý và tổ chức thi công phải hợp lý để tăng tốc độ thi công công trình và giảm giá thành công trình. Muốn làm được việc này, cần phải phân tích quá trình thi công, các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ thi công của Máy TBM. Trước thực trạng như vậy cần phải có các giải pháp công nghệ khắc phục để mang lại hiệu quả. Việc xây dựng các công trình ngầm tiết diện nhỏ góp phần tăng cường vệ sinh môi trường đô thị, cho việc sử dụng quỹ đất phát triển không gian ngầm. Đồng thời đồng bộ hóa các hệ thống công trình ngầm trong các đô thị và thành phố lớn. Với mục đích nêu trên em lựa chọn đồ án tốt nghiệp là: “Thiết kế và tổ chức thi công đường hầm metroline 3 bằng máy TBM tuyến Nhổn – Ga Hà Nội” với số liệu đường sắt tuyến Nhổn – Ga Hà Nội.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

.………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 11

MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG 1 14

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG HẦM BẰNG TBM 14

1.1 Tổng quan về công nghệ thi công hầm bằng máy đào hầm trên thế giới 14

1.1.1 Lịch sử phát triển hầm theo phương pháp khiên (shield) 14

1.1.2 Phân loại, ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng 20

1.1.2.1 Phân loại 20

1.1.2.2.1 Ưu điểm 22

1.1.2.2.2 Nhược điểm 23

1.1.2.3 Phạm vi áp dụng 24

1.1.3 Nguyên lý cơ bản của thi công hầm bằng khiên đào 26

1.1.4 Một số phương pháp thi công bằng khiên đào 27

1.1.4.1 Máy đào và phương pháp thi công khiên dung dịch vữa (Slurry Shiel) 27

1.1.4.2 Phương pháp khiên đa mặt MF (Multi Face) : 27

1.1.4.3 Phương pháp khiên nhiều trục lệch tâm DPLEX (Developing Parallel Link EXcavating shield Method) 28

1.1.4.4 Phương pháp khiên mặt cắt tự do 29

1.1.4.5 Phương pháp khiên MSD (Mechanical Shield Docking) 29

1.1.4.6 Phương pháp khiên MMST (Multi Micro Shield Tunnel) 30

1.1.4.7 Phương pháp khiên bọt khí 30

1.1.4.8 Phương pháp khiên CPS (Chemical Plug Shield) 31

1.1.4.9 Phương pháp khiên DOT (Double O Tube) 31

1.1.4.10 Phương pháp khiên mở rộng cục bộ 33

1.2 Tổng quan về công nghệ thi công hầm bằng máy đào hầm ở Việt Nam 33

1.2.1 Công trình thủy điện 33

1.2.2 Dự án cấp thoát nước 34

1.2.3 Dự án giao thông 34

Kết luận chương 1 36

CHƯƠNG2 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHUVỰC TUYẾN METRO LINE 3 HÀ NỘI 37 2.1 Tổng quan về dự án xây dựng tuyến đường sắt số 03 Nhổn – Cát Linh – Ga Hà Nội thuộc hệ thống metro Hà Nội 37

2.2 Đặc điểm địa chất khu vực Hà Nội 41

2.2.1 Quy luật phân bố các dạng nền tại Hà Nội 41

2.1.2 Chia khu địa kỹ thuật lãnh thổ Hà Nội theo mức độ thuận tiện cho xây dựng công trình ngầm đô thị 45

Kết luận chương 2: 47

CHƯƠNG 3 CÔNG NGHỆ TBM CÂN BẰNG ÁP LỰC ĐẤT TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT DỰ ÁN METRO LINE 3 HÀ NỘI (NHỔN – GA HÀ NỘI) 49

3.1 TỔNG QUAN 49

3.1.1 Tổng quan tuyến đường sắt đô thị thí điểm Hà Nội số 3 49

3.1.2 Đoạn đi ngầm (CP03) 49

3.2.Sự phù hợp của EPB TBM đối với địa chất phát hiện dọc tuyến METRO LINE 3 51 3.2.1 Phân bố kích cỡ hạt 51

3.3 Tính toán thiết kế vỏ hầm sử dụng cho dự án Metro line 3 57

3.4.4 Tải trọng địa chấn 63

3.5 Xác định nội lực 64

3.6 Kiểm tra an toàn của vòng chống 66

3.7 Tính toán kiểm tra điều kiện mối nối giữa các mảnh ghép 68

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ TỔ CHỨC THI CÔNG 70

4.1 Biện pháp thi công chủ đạo 70

4.1.1 Điều kiện thi công và căn cứ lựa chọn công nghệ 70

4.1.1.1 Điều kiện thi công 70

4.1.1.2 Lựa chọn công nghệ 70

4.1.1.3.Vật liệu xây dựng 73

4.1.1.4.Nguyên tắc thiết kế, tổ chức thi công 73

4.1.1.5 Chuẩn bị hệ thống đảm bảo hậu cần và thi công bể chứa chất thải 73

4.1.2 Biện pháp thi công giếng xuất phát 74

4.1.3 Biện pháp lắp ráp khiên đào 75

4.1.4 Vận hành khiên đào 78

4.1.5 Biện pháp vận chuyển chất thải lên mặt đất 81

4.1.6 Biện pháp đúc các mảnh hầm 82

4.1.6.1 Bê tông 82

4.1.6.2 Cốt thép 83

4.1.6.3 Cốp pha 83

4.1.6.4 Thi công bê tông chống thấm 83

4.1.6.5 Chống thấm cho các mảnh hầm lắp ghép 84

4.1.7 Biện pháp lắp ráp mảnh hầm 85

4.1.8 Biện pháp lắp đặt đường ray 86

4.1.9 Các thiết bị phụ trợ thi công 86

4.1.9.1 Thiết bị ngoài hầm 86

4.1.9.1 Thiết bị thi công trong hầm ……….87

4.1.10.Giải pháp thi công đổ vỏ bê tông chống thấm bên trong hầm 88

4.1.11 Công tác chuẩn bị mặt bằng 88

4.1.12 Công tác phụ trong thi công 89

4.1.12.1 Thông gió trong thi công: 89

4.1.12.2 Cấp nước trong thi công : 89

4.1.12 3.Cung cấp điện cho thi công 89

4.1.12.4 Thoát nước trong thi công 89

4.2 Thiết kế thi công chi tiết và tính toán công nghệ 89

4.2.1 Thiết kế kết cấu thành giếng 89

4.2.2.1 Giai đoạn khởi đầu của TBM 90

4.2.2.1 Thi công một đốt thi công 90

4.2.3 Xác định áp lực đất tác dụng lên gương đào 90

4.2.4 Xác định lực đẩy của kích di chuyển 91

4.2.4.1 Đường kính ngoài của khiên D 92

4.2.4.2 Độ nhanh nhạy của khiên LM/D 92

4.2.4.3 Chiều dài khiên L 93

4.2.5 Các công tác phụ trong thi công hầm 95

4.2.5.1 Công tác thông gió 95

4.2.5.2 Chiếu sáng 97

4.2.5.3 Cấp thoát nước thi công 97

4.2.6 Công tác cốp pha 98

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN TỔ CHỨC CHU KỲ THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM METRO LINE 3 HÀ

NỘI 102

5.1 Tính toán thời gian chu kỳ khai đào xây dựng đường hầm 102

5.2 Xác định giá thành khai đào đường hầm 107

KẾT LUẬN ,ĐỀ XUẤT VÀ KIẾN NGHỊ 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Công trình ngầm CTN

Tunneling Boring Machine TBM

Earth Pressure Balance-Tunneling Boring Machine EPB TBM

Multi Face MF

Developing Parallel Link EXcavating shield Method DPLEX

Multi Micro Shield Tunnel MMST

Double O Tube DOT

Chemical Plug Shield CPS

Giao thông vận tải thành phố Hà Nội GTVT TPHN

Hình 1.14 Đường hầmKyobashi……….29

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý khiên nhiều trục lệch tâm………30

Hình 2.1 Quy hoạch tuyến và các nhà ga trong tuyến đường sắt tàu điện ngầm số 03:Nhổn – Cát Linh – Ga Hà Nội………

Hình 3.2 Đường cong phân bố kích cỡ hạt cho vật liệu dọc tuyến đường sắt đô thị thí

Hình 3.7 Trường áp dụng khiên đào EPB cho sự phân bố kích thước hạt được tạo thành

……….57

Hình 3.8 Trường áp dụng khiên đào EPB cho sự phân bố kích thước hạt được tạo thành từ

“100% GU5”……… ………57

Hình 4.7 Vị trí kiểm tra sai số tròn……….

Bảng 3.10 Kết quả tính toán nội lực………

……… 66

Bảng 3.11 Kết quả nội lực trong vòng chống…………

……….66

Bảng 3.12 Kiểm tra mối nối………

……… 69

Bảng 4.1-Sai số cho phép về độ tròn ……… ………

78 Bảng 4.2-Sai số cho phép về mức độ phẳng………

……….79

Bảng 4.3 Tính năng kỹ thuật của xe vận chuyển……….82

Bảng 4.4 Vật liệu chống thấm dạng cuộn……… ………

85 Bảng 4.5 Độ nhạy của khiên

……….94

Bảng 4.6 Các chỉ tiêu kỹ thuật của khiên đào……

……….95

Bảng 4.7 Thông số kỹ thuật của thùng trộn S-230A……… 100

Bảng 4.8 Chỉ tiêu kỹ thuật của máy bơm bê tông 2-596A……….………

101 Bảng 5.1 Biểu đồ tổ chức công việc khai đào đường hầm bằng EPB TBM……….107

Bảng 5.2 Tính toán khai đào cho vật liệu………108

Bảng 5.3 Tính toán khai đào cho máy móc khai đào gương… ……… 109

MỞ ĐẦU

Việt Nam là nước đang phát triển nên việc quy hoạch xây dựng cơ sở hạ tầng đồng

bộ như các hệ thống cấp thoát nước, hệ thống đường dây thông tin liên lạc, hệ thốngđường dây điện v.v… là điều rất cần thiết Ở các thành phố, những hệ thống này xuyênqua hệ thống giao lộ có lưu lượng giao thông rất lớn Vậy nên việc xây dựng các côngtrình ngầm (CTN) này cần phải được xem xét cẩn thận làm sao tiến độ thi công là nhanhnhất và giảm được sự tác động của môi trường xung quanh Phương pháp thi công bằngmáy đào hầm TBM là phương pháp thi công có thể đảm bảo được các yêucầu trên Khi sử dụng phương pháp thi công bằng Máy TBM này có thể giảm thiểu đáng

kể các tác động của xã hội và môi trường so với phương pháp đào truyền thống Phươngpháp này là phương pháp tiên tiến phù hợp với thi công các CTN tại các đô thị, các khudân cư tập trung nơi có điều kiện thi công khó khăn, mặt bằng chật hẹp, mật độ giaothông cao

Phương pháp thi công CTN bằng Máy TBM là phương pháp thi công cơ giới hóacao nên công tác quản lý và tổ chức thi công phải hợp lý để tăng tốc độ thi công côngtrình và giảm giá thành công trình Muốn làm được việc này, cần phải phân tích quá trìnhthi công, các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ thi công của Máy TBM

Trước thực trạng như vậy cần phải có các giải pháp công nghệ khắc phục để manglại hiệu quả Việc xây dựng các công trình ngầm tiết diện nhỏ góp phần tăng cường vệsinh môi trường đô thị, cho việc sử dụng quỹ đất phát triển không gian ngầm Đồng thờiđồng bộ hóa các hệ thống công trình ngầm trong các đô thị và thành phố lớn

Với mục đích nêu trên em lựa chọn đồ án tốt nghiệp là: “Thiết kế và tổ chức thi công đường hầm metroline 3 bằng máy TBM tuyến Nhổn – Ga Hà Nội” với số

liệu đường sắt tuyến Nhổn – Ga Hà Nội

Do thời gian có hạn, tài liệu tham khảo không đầy đủ nên mặc dù bản thân tác giả

đã rất cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Qua đây, em rất mongnhận được nhiều ý kiến và sự chỉ bảo của Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp hơn nữa, để

có thể vững vàng trong công tác, nghiên cứu tiếp theo sau này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG HẦM BẰNG TBM

Máy TBM có thể chia thành 2 loại chính là có khiên hoặc không có khiên MáyTBM có khiên đi kèm gọi là máy khoan hầm có khiên (shielded TBM), một số vẫngọi là khiên đào còn TBM không có khiên thực ra là khoảng không sau đầu cắt để

hở, để công nhân/kỹ thuật có thể thao tác kỹ thuật được gọi là open-type TBM, chỉdùng trong điều kiện đá cứng Có thể phía sau vẫn có khiên (không nhất thiết) để đảmbảo an toàn cho người và thiết bị chứ không phải phục vụ chống đỡ áp lực đất đá quanhhầm

1.1 Tổng quan về công nghệ thi công hầm bằng máy đào hầm trên thế giới

1.1.1 Lịch sử phát triển hầm theo phương pháp khiên (shield)

Đường hầm thi công theo phương pháp khiên đào đầu tiên do ông Marc Isambard Brunelphát triển để đào đường hầm qua sông Thames bắt đầu vào năm 1825 (mặc dù vậy đếnnăm 1943 đường hầm mới được mở) Brunel được cho là đã lấy cảm hứng từ hình ảnhcon hà Teredo navalis, một loài động vật thân mềm rất có hiệu quả trong việc đào ănqua gỗ chìm trong nước mà ông ta quan sát được khi làm việc tại xưởng đóng tàu Khiênđào do Maudslay, Sons & Field, của Lambeth, London chế to, cũng là người đã chế tạo

ra máy bơm hơi nước để thoát nước đường hầm

trong có một công nhân điều khiển Như vậy tất cả có 36 công nhân Công trình hầmdưới sông khởi công năm 1825 trong thi công gặp rất nhiều khó khăn sau khi trải qua

5 lần lũ đặc biệt lớn đến năm 1843 mới hoàn thành

Trong thời gian đầu của phương pháp khiên, khiên đào có chức năng bảo vệcho các lao động thủ công làm công tác đào hầm, dần dần phát triển thay thế bằng cácđốt tường hầm chế tạo sẵn Khiên đào cũng đã được chia thành các mặt thi công với cácphần chồng lên nhau để mỗi công nhân có thể đào một cách thuận tiện nhất

Hình 1.2 Phương pháp khiên đào áp dụng cho hầm qua sông Thames (Anh)Thiết kế ban đầu của Brunel về căn bản đã được Peter W Barlow cải tiến trongquá trình thi công đường ngầm Tower dưới sông Thames ở trung tâm London năm

1870 Có lẽ cải tiến quan trọng nhất mang tính quyết định trong thiết kế của Barlow là

nó có tiết diện hình tròn (không giống như của Brunel có tiết diện hình chữ nhật) làmcho việc thi công đơn giản hơn và có khả năng chống đỡ tốt hơn trọng lượng đất xungquanh

Năm 1869, công trình sư Janes Heary Grethead dùng kết cấu khiên hình trònlại một lần nữa xây dựng đường hầm dưới hầm sông Thames, lớp vỏ hầm lần đầu tiêndùng ống gang Chiều dài đường hầm dài 402m, đường kính ngoài 2.18m, đường hầm về

cơ bản đào trong vùng đất sét Cho nên về mặt khống chế nước ngầm không gặp khókhăn gì, kết cấu khiên ống tròn trở thành dạng hình phổ biến cho các khiên sau này.

Năm 1874, Greathead phát hiện trong tầng địa chất có tính thẩm thấu mạnh rấtkhó sử dụng khí nén đỡ bề mặt của đường hầm, do đó lại sử dụng kết cấu chắn có thểlỏng chống đỡ bề mặt làm việc của hầm Dùng dòng chảy lỏng với hình thức vữa bùn đểthải đất

Hình 1.3 Kết cấu khiên dùng vữa của GreatheadNăm 1886, Greathead khi thi công đường ngầm ở Luân Đôn đã sử dụng kết hợpgiải pháp khí nén với kết cấu khiên đào Thi công trong điều kiện khí nén đã làm nênmột tiến bộ to lớn trong việc đào đường hầm trong tầng chịu áp lực nước, đã lấp được

lỗ hỗng trong thi công hầm trên phạm vi thế giới số lượng sử dụng phương pháp đàobằng kết cấu khiên tăng lên nhanh chóng

Thiết kế của Barlow đã được James Henry Greathead mở rộng và cải tiến thêm

Một tiến bộ kỹ thuật khác của phương pháp khiên sau khi Brunel phát minh là đã dùngmáy móc đào thay cho nhân công Bản quyền khiên về cơ giới hóa đầu tiên đượccông nhận năm 1876 cho John Dickinson Bruton và George Brunton người Anh Cỗmáy khiên này có mâm dao xoay hình nửa quả cầu do một số tấm tạo thành, đất đào

ra rơi vào trong gầu hướng tâm trên mâm dao Gầu đưa vật liệu vào băng chuyền chuyển

về phía sau khiên rồi vận chuyển đi

Năm 1896, Price xin đăng ký bản quyền Năm 1897, cỗ máy này đã được sửdụng thành công ở tầng đất sét Luân Đôn, lần đầu tiên nó tổ hợp 2 loại kết cấu khiênGreathead và kết cấu khiên mâm dao xoay Bánh xe cắt được tổ hợp từ 4 cánh nanhoa trên đó có lắp công cụ cắt và gọt Trên bánh cắt có gầu xúc, đất đào ra được nâng lên

đổ vào máng xiên và chảy vào xe chở vật liệu chờ sẵn, chuyển lên mặt đất

Năm 1896, Haag đăng ký bản quyền máy khiên của Đức đầu tiên ở Berlin Đó

là cỗ máy khiên dùng vữa để đỡ bề mặt đào hầm và bọc kín buồng đào đất để làm buồng

áp lực

Hình 1.4 Kết cấu khiên vữa Haag (1896) Vào đầu thế kỉ XX, phương pháp thi công bằng khiên đã được đẩy mạnh ởcác nước Mĩ, Anh, Đức, Liên Xô, Pháp Chỉ trong thập kỉ 30-40 tại các nước ấy đãdùng khiên xây dựng nhiều tuyến đường hầm Metro, đường hầm ô tô qua sông vớiđường kính từ 3.0-9.5m

Năm 1960, Schneidereit đề ra dùng vữa sét bentonite để đỡ bề mặt công tác

Năm 1963, lần đầu tiên công ty Sato Kogyo Nhật Bản đã phát minh ra khiên cân bằng

áp lực đất

Hình 1.5 Khiên cân bằng áp lực đất của công ty Sato Kogyo Nhật Bản

Lúc bấy giờ công ty Sato Kogyo đang tìm phương pháp đào hầm trong lớp đấtmềm xốp dưới mực nước ngầm Do máy đào khiên khí nén và dung dịch vữa đã sửdụng thành công ở Nhật Bản, việc phát minh ra khiên cân bằng áp lực đất làm người tarất kinh ngạc Phát minh ra khiên cân bằng áp lực đất là vì ở Nhật Bản trong nhiềuthành phố lớn có quy định và pháp luật nghiêm ngặt đối với môi trường Cho đến nay

kỹ thuật đường hầm khiên đào được phát triển vượt bậc ở Nhật Bản và Nhật Bản đãchế tạo hơn 2000 cỗ máy khiên đào và trình độ kỹ thuật hầm khiên đứng vào hàng đầuthế giới

Năm 1984, Thượng Hải chế tạo khiên đường kính 11.32m xây dựng thành côngđường ô tô ngầm dưới đáy sông phía Đông đường Hoàng Phố Giang – Diên An

Hình 1.6 Mặt cắt ngang đường hầm qua eo biển Anh-PhápThi công tuyến đường hầm này đã dùng tổng cộng 11 máy khiên Bên phía Phápdùng 5, Anh dùng 6 cỗ máy Sai số của khiên đào đường hầm phụ trợ chỉ có 350mm(chiều ngang) và 60mm (chiều đứng) Công trình đường hầm này hoàn thành vào giữanăm 1991.

Thi công tuyến đường hầm này đã dùng tổng cộng 11 máy khiên Bên phía Phápdùng 5, Anh dùng 6 cỗ máy Sai số của khiên đào đường hầm phụ trợ chỉ có 350mm(chiều ngang) và 60mm (chiều đứng) Công trình đường hầm này hoàn thành vào giữanăm 1991

Năm 1989, công trình đường hầm dùng khiên dung dịch vữa lớn nhất của NhậtBản khởi công, đường hầm đáy eo biển Tokyo dài 9.1km là đường hầm đáy biển chuyêndụng đường bộ dài nhất thế giới, thi công dùng 8 cỗ khiên kiểu dung dịch vữa áp lực Đếncuối tháng 10-1996, đã thông đường hầm

Năm 1992, Nhật Bản nghiên cứu chế tạo khiên đầu tiên trên thế giới kiểu vữa

áp lực 3 đầu và sử dụng thành công trong thi công công trình nhà ga tuyến số 7 đườngsắt ngầm dài 107m ở thành phố Osaka Tháng 11 trong năm hoàn thành và sử dụng

Tháng 11-2001, đường hầm lớn nhất thế giới Groene Hart bắt đầu đào, lànhánh của đường sắt cao tốc Lu than – A-mi-cithan : nó xuyên qua một vùng thiênnhiên xanh, lưới sông ngòi dày đặc, xe cộ qua lại nhộn nhịp, tổng chiều dài là7156.018m, đường kính ngoài là 14.3m, đường kính trong là 13.3m, bề dày tấm vỏhầm 0.6m Dùng khiên cân bằng vữa sét đường kính 14.87m thi công, đây là cỗ máy

lớn nhất trong lịch sử Tài liệu ghi chép tiến độ thi công : ngày tốt nhất là 22m, tuần tốtnhất (7 ngày) là 118m, liên tục tốt nhất là 4 tuần với 438m.

Bảng 1.1 Một số đường hầm xây dựng trên thế giới bằng phương pháp khiên đào

Tên đường hầm

Đườngkính D(m)

Chiềudài Lm

(m)

Độnhanh/ nhạy

Lm/D

Trọnglượng

G1

(T)

Số kíchcủa khiên(chiếc)

Tổng lựcđẩy củakhiên(KN)

Bề dàyvỏkhiên(mm)

* Theo mức độ cơ giới hoá đào bốc xúc đất đá, vận chuyển đất đá và xây lắp vỏ tunnel,

+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm chuyên dùng để đào tunnel dành cho giao thông nhưcác tổ hợp đào đường hầm metro, đường hầm ô tô, đường hầm đường sắt v.v…

+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm chuyên dùng để đào tunnel cho hạ tầ ng cơ sở đô thịnhư đường ống thoát nước, đường ống lắp đặt các cáp điện, viễn thông v.v…

* Theo phương án chống sạt lở gương đào các tổ hợp khiên đào hầm được chia làm

bốn nhóm sau:

+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm trong đất có khả năng tự ổn định, không có khoang bảo

vệ gương đào (non Pressure Balance Shields);

+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm bảo vệ gương đào bằng khoang chứa đất (Earth PressureBalance Shields);

+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm bảo vệ gương đào bằng khoang thuỷ lực Slurry Supported Shields);

(Bentonite-+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm bảo vệ gương đào hỗn hợp (Mix Pressure BalanceShields)

* Theo số khiên trong một tổ hợp, các tổ hợp khiên đào hầm được chia làm các nhóm

sau:

+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm với một khiên bảo vệ - Single Shield TBM;

+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm với hai khiên bảo vệ - Double Shields;

+ Nhóm tổ hợp khiên đào hầm với guốc chống vào thành hầm – Gripper TBM.

* Ngoài ra khiên đào hầm còn được phân loại theo các dấu hiệu khác như:

+ Theo diện tích mặt cắt tunnel đào: Khiên loại nhỏ (đường kính nhỏ hơn 3,2 m), khiênloại trung bình (đường kính nhỏ hơn 5,2 m) và loại lớn (đường kính lớn hơn 5,2 m) Tổhợp 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

+ Theo lĩnh vực ứng dụng đào hầm các khiên đào hầm được chia thành các nhóm sau:

- Khiên đào hầm dùng để đào tunnel trong đất ngập nước;

- Khiên đào hầm dùng để đào tunnel trong đất thể hạt có độ ẩm bình thường;

- Khiên đào hầm dùng để đào tunnel trong đất độ ổn định kém có độ ẩm bình thường;

- Khiên đào hầm dùng để đào tunnel trong đất có độ cứng từ 0,5 – 5 theo bảng chia của

+ Tổ hợp khiên loại thường không có khoang bảo vệ gương đào;

+ Tổ hợp khiên với khoang giữ gương đào bằng đất (earth pressure balanceshield);

+ Tổ hợp khiên với khoang giữ gương đào bằng dung dịch betonite(Slurrypressure balance shield);

+ Tổ hợp máy đào hầm hầm trong nền đá cứng;

b 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

c Quá trình thi công không ảnh hưởng đến giao thông và công trình trên mặt đấtcũng như giao thông thuỷ

d Trong thi công không bị ảnh hưởng bởi thời tiết

e Trong thi công không gây tiếng ồn và chấn động, không gây ô nhiễm môi trường xungquanh

f Xây dựng trong đường hầm dài trong vùng đất mềm yếu ngậm nước, hoặc ở dưới sâuluôn có tính ưu việt về mặt kỹ thuật và kinh tế, vì thế phương pháp thi công bằng khiênthích hợp nhất là xây dựng đường hầm trong địa tầng rời rạc, mềm yếu và có nướcngầm, xây dựng đường hầm dưới đáy sông, trong thành phố (xây dựng metro) và các loạicông trình hạ tầng đô thị khác

1.1.2.2.2 Nhược điểm

Phương pháp thi công bằng khiên thích hợp với đường hầm dài (có một số tài liệu chobiết thi công các đường hầm ngắn hơn 750m thì không kinh tế) Bởi vì khiên là một tổhợp thiết bị cơ giới rất đắt, có tính chuyên dụng rất cao, mỗi loại thích hợp với điều kiệnthuỷ văn, địa chất, kích thước mặt kết cấu riêng đã được thiết kế chế tạo đặc biệt, khôngthể thay đổi sử dụng một cách tuỳ tiện cho các công trình ngầm khác Ngoài ra, nếuđường hầm có bán kính cong quá nhỏ hoặc lớp đất phủ trên hầm quá nông thì gặp rấtnhiều khó khăn Đường hầm dưới đáy nước nếu gặp lớp phủ quá nông thi công sẽ không

an toàn Khi thi công bằng khiên nếu dùng phương pháp khí áp suất cao để ổn định gươngđào, thì người lao động rất dễ bị bệnh “giếng chìm”, và ngoài ra còn rất nhiều bệnh khácliên quan nên yêu cầu bảo hộ đối với lao động phải rất cao Khi thi công bằng khiên rấtkhó tránh lún trong lớp đất phía trên, nhất là chỗ tầng đất mềm yếu lại có nước, khi lắp vỏhầm phải chú ý phun vữa vào sau lưng vỏ hầm Những khuyết điểm nói trên trong thicông bằng khiên đang được nghiên cứu khắc phục

Với những tuyến ngầm có chiều sâu không lớn lắm nên thi công bằng phươngpháp đào hở vì với lớp đất phủ nhỏ cùng với điều kiện địa chất không ổn định sẽ dẫn tớihiện tượng sạt lở đất bề mặt Nếu vì lý do đặc biệt bắt buộc phải thi công bằng khiên thìphải có giải pháp ổn định địa tầng hợp lý và đặc biệt không được thi công bằng tổ hợpkhiên Air- pressure balance

Tuy nhiên, giá thành một tổ hợp máy TBM là không rẻ, theo tính toán nếu chiều dài củatuyến ngầm nhỏ hơn 750 m thì sử dụng tổ hợp khiên đào ngầm không hiệu quả về mặtkinh tế Mặt khác, mỗi một tổ hợp khiên đào ngầm chỉ có hình dáng và kích thước phùhợp với một tuyến ngầm tunnel nhất định nên việc dùng tổ hợp của tuyến này sang thicông cho tuyến có mặt cắt tiết diện khác là không phù hợp và di chuyển máy giữacác công trình gặp nhiều khó khăn do phải tháo rời và kích thước máy quá lớn.

1.1.2.3 Phạm vi áp dụng

Phương pháp thi công kín bằng khiên đã được ứng dụng trong xây dựngcông trình ngầm hạ tầng kỹ thuật ở các đô thị như: đường ngầm thoát nước, đường cápđiện lực, viễn thông…mà không cần phải đào bới gây cản trở nhịp sống đô thị Côngnghệ này được gọi là công nghệ thi công tunnel mặt cắt nhỏ Microtunnelling

Phương pháp thi công bằng khiên và tổ hợp khiên dùng để đào các tuyếnngầm đi qua các vùng núi đá thay cho phương pháp khoan nổ mìn để xây dựng tunneldẫn nước cho các nhà máy thuỷ điện, các tuyến ngầm giao thông đường sắt, đường bộv.v…

Đặc biệt các tổ hợp khiên đào hầm với khoang cân bằng áp lực bằng đất vàbằng dung dịch bentonite dùng để thi công các tuyến ngầm giao thông ở những nơi cóđiều khiện địa chất phức tạp Các tổ hợp khiên này đã và đang được sử dụng để xâydựng các tuyến giao thông đường sắt đô thị (metro), các tuyến giao thông đường bộđường sắt xuyên qua sông, eo biển và cả những vùng đất sình lầy

1 - vỏ khiên;1, - khoảng không gian phía sau mâm dao cắt; 2 - khoảng khônggian phía sau vỏ tunnel sau lắp ráp phải được ép đầy vữa; 3 - vỏ tunnel sau lắp ráp; 4 –mâm dao cắt; 4 - đất phía trước mâm dao bị sạt lở; 5 – kích thuỷ lực (lúc đầu là kíchvít); 6 - Thiết bị lắp ráp các đoạn vỏ hầm; 7 – băng tải đất đá; 8 – goòng chở đất bánhsắt; 9 – các đoạn vỏ tunnel chưa lắp

Hình 1.8 Sơ đồ bố trí thiết bị trong công nghệ thi công tunnel mặt cắt

nhỏ MicrotunnellingTrong tổng số đường hầm ngầm thi công bằng phương pháp khiên ở các nướckhoảng 70% được xây dựng cho dẫn nước, 30% dùng cho Mêtrô và đường ô tô Hiệnnay đường hầm ngầm dưới đáy sông được xây dựng bằng phương pháp khiên ở trên thếgiới đã có hơn 20 tuyến, và sự nghiệp phát triển giao thông đường bộ, đường hầm ngầm

ô tô dưới đáy sông được xây dựng bằng phương pháp khiên ở các nước sẽ ngày một tănglên

Tại Việt nam - cụ thể là TP Hồ Chí Minh và Hà Nội - đã và đang xúc tiến thựchiện hàng loạt các tuyến đường sắt cao tốc đô thị, trong đó có nhiều tuyến bắt buộc phải

đi ngầm trong hầmng 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 hầm với khoang cân bằng áp lực hỗn hợp bằng đất vàbằng dung dịch bentonite (Mix pressure balance shields) hiện đại là bắt buộc mặc dùgiá thành sẽ bị đẩy lên rất cao

1.1.3 Nguyên lý cơ bản của thi công hầm bằng khiên đào

Khiên là một loại kết cấu ống thép hoạt động dưới sự che chống áp lực địa tầnglại có thể hoạt động tiến lên trong địa tầng Đoạn đầu ống có thiết bị che chống và đàođất, đoạn giữa của ống được lắp các EPB TBM cho máy tiến lên, đuôi của ống cóthể lắp các ống bêtông vỏ hầm đúc sẵn hoặc các vành thép để đổ bêtông vỏ hầm Mỗilần khiên tiến lên cự ly 1 vòng, 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 cát vào khe hởđằng sau lưng các vòng bêtông để đề phòng hầm và mặt đất lún xuống Phản lực đẩykhiên tiến lên do vòng bêtông vỏ hầm chịu đựng Trước lúc thi công bằng khiên cần xâydựng một giếng đứng, lắp ráp khiên cũng tại giếng đứng, đất đá do khiên đào xong đượcđưa qua giếng đứng ra ngoài mặt đất

Hình 1.9: Phương pháp thi công hầm bằng khiên đào

1 Khiên; 2 Kích của khiên; 3 Mạng lưới ô vuông trước mặt khiên;4 Mâm quayđưa 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; 11 Tấm bê tông lắp ghép 12.Phun vữa vào khe hở sau đuôi khiên; 13.Các phiến ống dự trữ phía sau; 14 Giếngđứng

Hình 1.10 Một giếng đứng để thi công hầm bằng khiên ở Barcelona

1.1.4 Một số phương pháp thi công bằng khiên đào

1.1.4.1 Máy đào và phương pháp thi công khiên dung dịch vữa (Slurry Shiel)

Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo của khiên dung dịch vữa

1.1.4.2 Phương pháp khiên đa mặt MF (Multi Face)

Hình 1.12 Khiên MF

Hình 1.15 Khiên DPLEX hình chữ nhật 3.98x4.38m

1.1.4.4 Phương pháp khiên mặt cắt tự do

Hình 1.16 Các hình dạng mặt cắt ngang hầm thi công bằng khiên mặt cắt tự do

Hình 1.17 Khiên mặt cắt tự do

1.1.4.5 Phương pháp khiên MSD (Mechanical Shield Docking)

Hình 1.18 Sơ họa khiên MSD

1.1.4.6 Phương pháp khiên MMST (Multi Micro Shield Tunnel)

Hình 1.19 Khiên MMST

1.1.4.7 Phương pháp khiên bọt khí

Hình 1.20 Khiên bọt khí

Hình 1.21 Cấu tạo khiên bọt khí

1.1.4.8 Phương pháp khiên CPS (Chemical Plug Shield)

Hình 1.22 Sơ đồ cấu tạo khiên CPS

Hình 1.23 Khiên DOT

1.1.4.10 Phương pháp khiên mở rộng cục bộ

Hình 1.24 Sơ đồ nguyên lý thi công mở rộng cục bộ

1.2 Tổng quan về công nghệ thi công hầm bằng máy đào hầm ở Việt Nam

Hiện nay, công nghệ thi công hầm bằng TBM đã và đang được áp dụng cho rấtnhiều loại hình công trình tại Việt Nam

1.2.1 Công trình thủy điện

Công nghệ thi công hầm bằng TBM đã được áp dụng lần đầu tiên ở nước ta tại côngtrình thủy điện Đại Ninh (Bình Thuận).

Sau một tháng lắp đặt, ngày 26-11/2004 , Liên danh Kajima-Kumagai Sông Đà

đã đưa thiết bị đào đường hầm đặc biệt TBM (Tunnel Boring Machine) vào thicông tại công trình thủy điện Đại Ninh (thuộc hai tỉnh Lâm Đồng và Bình Thuận )

Hình 1.25 Đầu máy TBM thi công tại hầm thủy điện Đại Ninh

Đầu máy có đường kính 5,5m, nặng 450 tấn được lắp 37 mũi khoan làm bằng hợpkim đặc biệt gọi là "black diamond", có thể đâm thủng những lớp đá cực cứng Cùngvới việc đào không khoan nổ và vận chuyển vật liệu đá đào ra ngoài bằng băng chuyền,thiết bị này đồng thời còn lắp dựng bê tông đúc sẵn vỏ đường hầm Nghĩa là máy đi đếnđâu đường hầm được hoàn thiện ngay đến đó Công nghệ TBM khắc phục hoàn toàntìnhtrạng sang chấn địa chất dẫn đến sự cố sập hầm dễ mắc phải do áp dụng phươngpháp khoan nổ trước đây Ngoài ra, công nghệ này còn bảo đảm các vấn đề về môi sinh,môi trường

Hiện nay ở Việt Nam có rất nhiều dự án cấp thoát nước, cải tạo môi trường nước đã vàđang sử dụng máy đào hầm dạng Micro TBM như:

 Dự án cải thiện môi trường nước thành phố Huế

 Hệ thống thoát nước dưới đáy kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè (TP HCM)

 Dự án cải thiện môi trường nước TP HCM

 Dự án xử lý nước thải Yên Xá ( Hà Nội)

1.2.3 Dự án giao thông

Tuyến Metro Số 1 Bến Thành - Suối Tiên (TP HCM) đoạn ngầm từ Ga Bến Thành đến

Ga Ba Son dài 1.745km

Hình 1.26 Máy khoan hầm của dự án Metro số 1, tuyến Bến Thành – Suối Tiên

EPB-TBM ( Earth Pressure Balance-Tunneling Boring Machine)

Là một tổ hợp máy đào hầm có thể thực hiện được các hạng mục thi cônghầm bằng phương pháp cân bằng áp lực đất Đường kính: 7.13m, C hiều dài: 8.3m Tạotiền đề để áp dụng thi công hàng loạt tuyến Metro khác của Việt Nam :

 Tuyến Metro số 2 Bến Thành - Tham Lương ( TP HCM)

 Tuyến Metro line 3 Nhổn – Ga Hà Nội ( Hà Nội)

Kết luận chương 1

Chương 1 đã giới thiệu khái quát nhất biện pháp thi công bằng khiên đào, lịch sửphát triển và giới thiệu các loại khiên đào Đối với mỗi loại khiên đều có đặc điểm vàphạm vi áp dụng thích hợp riêng Ngoài các loại khiên đào thông thường như khiêncân bằng áp lực vữa, cân bằng áp lực đất còn có các loại khiên đặc biệt dùng trongcác điều kiện cụ thể như khiên MF, DPLEX, MMST, H&V,

Sự đa dạng của khiên cho phép giải quyết các vấn đề khi thi công gặp phải mộtcách tốt nhất Tuy nhiên, việc sử dụng loại khiên nào cũng phải có tính toán cụ thể cả về

kỹ thuật và kinh tế mới có hiệu quả tốt

Bên cạnh đó, chương 1 giới thiệu sơ bộ tình hình áp dụng công nghệ thi công hầmbằng TBM cũng như triển vọng áp dụng cho nhiều loại hình công trình ngầm ở ViệtNam