CHƯƠNG VII Máy và thiết bị phụ trợ

Sự cần thiết của công tác thông gió công trường tuyến ngầm Khác với khí trời, không khí trong các công trình ngầm ngoài các chất khí như ôxy, nitơ, cácbonic, còn có các chất khí gây độc

CHƯƠNG VII Máy và thiết bị phụ trợ

§ 7.1 Máy và thiết bị thông gió công trường tuyến ngầm

I Sự cần thiết của công tác thông gió công trường tuyến ngầm

Khác với khí trời, không khí trong các công trình ngầm ngoài các chất khí như ôxy, nitơ, cácbonic, còn có các chất khí gây độc hại cho cơ thể con người: oxit cácbon (CO), ôxit nitơ (NO2), ôxit lưu huỳnh (SO2), sulfua hiđrô (H2S)… Ở một số vùng còn có khí mêtan (CH4), là loại khí rất dễ gây cháy và nổ Ngoài ra, nhiệt độ và độ ẩm trong các công trình ngầm cũng thay đổi, khác với khí trời, mức độ nhiễm bụi trong hầm lò cũng rất cao

Tập hợp các hiện tượng nêu trên gây ảnh hưởng xấu đến điều kiện làm việc của con người, cũng như đến máy móc, thiết bị trong quá trình thi công Thông gió công trường tuyến ngầm là công tác không thể thiếu được trong hoạt động xây dựng công trình ngầm nói chung và đặc biệt là tuyến ngầm, nhằm thường xuyên thay đổi không khí trong ngầm kín bằng khí trời, bảo đảm điều kiện làm việc an toàn vệ sinh môi trường cho con người và cho sản xuất

Trình tự thông gió cho các tuyến ngầm trong thời gian thi công được xác định theo sơ đồ thông gió, và được điều chỉnh thường xuyên để phù hợp với chiều dài cũng như thực trạng giai đoạn thi công Tất cả mọi thay đổi về vị trí của gương đào, cửa thông gió, tường chắn, cầu gió, các quạt thông gió cục bộ đều phải thể hiện trong bản vẽ bình đồ thông gió trong mỗi phiên giao ca

II Các phương pháp thông gió công trường tuyến ngầm:

Có 3 phương án thông gió công trường tuyến ngầm sau:

- Thông gió hút

- Thông gió đẩy

- Thông gió liên hợp

Thông gió kiểu hút Thông gió kiểu đẩy Thông gió kiểu liên hợp cả hút và đẩy

Hình 7.1 ba phương án thông gió công trường tuyến ngầm

1) Thông gió kiểu đẩy và sơ đồ bố trí thiết bị.

Quạt gió phải đặt trên mặt đất với khoảng cách tối thiểu ≥ 10 m để tránh hút ngược khí bẩn vào công trường hình 7.2 Ống dẫn khí sạch 7 có đường

kính tối thiểu 0,3 m nối quạt gió trung tâm 10 đưa khí sạch vào gương đào qua

rơ le kiểm soát lưu lượng dòng khí sạch 5 Rơ le kiểm soát lưu lượng dòng khí sạch 5 có nhiệm vụ kiểm soát lưu lượng khí được đẩy vào gương đào được đặt cách gương đào tối thiểu 15m lớn hơn sẽ có sự dò dỉ dẫn tới các thông số kiểm soát không chính xác Miệng ống 7 cách gương đào không quá 8 m, nếu lớn hơn sẽ không thể đẩy hết khí bẩn tại gương đào Ống dẫn khí sạch 7 thường dùng là ống gió mềm có đường kính tối thiểu 0,3 m được treo vào nóc tunnel

và được treo về một bên hông , cách hông và nóc lò 20cm

Hình 7.2 Sơ đồ bố trí thiết bị trong thông gió gương đào tuyến tunnel:

1 – dòng khí sạch; 2 – gương đào; 3 - khoảng cách tối đa ≤ 15 m tính từ gương đào tới vị trí đặt

rơ le khiểm soát lưu lượng dòng khí sạch 5 tới gương đào; 4 - khoảng cách tối đa từ ống dẫn khí sạch ≤ 8 m; 6 - dòng khí bẩn; 7 - ống dẫn khí sạch; 8 - giếng đứng; 9 - khoảng cách tối thiểu ≥ 10 m tính từ giếng đứng tới quạt gió trung tâm 10; 11 - tuyến tunnel đang thi công Khí sạch được đẩy vào cưỡng bức nhờ quạt trung tâm 10, khí bẩn được đẩy ra theo đường ngầm không cần ống

Ưu điểm của phương pháp:

- An toàn đối với các đường lò đang đào có khí nổ

- Tác dụng thông gió tốt và nhanh

- Sự rò gió trên đường ống phù hợp với quá trình làm giảm sự tăng khí độc hại dọc tunnel, khi luồng gió bẩn từ gương lò trở ra theo đường lò

- Gương lò, nơi có người và thiết bị làm việc được thông gió bằng luồng không khí sạch trực tiếp

2) Thông gió kiểu hút và sơ đồ bố trí thiết bị.

Là phương pháp thông gió mà áp suất không khí ở mọi điểm trong tunnel đặc biệt vị trí gần gương đào, khi quạt làm việc đều nhỏ hơn áp suất khí trời Nhờ đó áp suất khí trời sẽ tràn vào các đường lò, còn không khí trong các đường tunnel sẽ được quạt hút ra đẩy qua quạt ra ngoài trời một cách cưỡng bức

a)

b)

Hình 7.3 Thông gió tunnel khiểu hút- Giảm áp toàn tuyến để không khí sạch

ngoài trời tự hút vào nhờ sự chênh lệch áp suất:

a)Thông gió tunnel kiểu hút với ống hút: 1 – gương đào; 2 - khí hỗn hợp trước gương đào bị hút vào ống cưỡng bức nhở quạt cục bộ hoặc quạt trung tâm; 3 - ống dẫn khí bẩn; 4 – khí bẩn; 5 –

khí sạch tự hút vào dọc theo tunnel.

b) hút khí cưỡng bức và vách ngăn: 1 – khí sạch; 2 vách ngăn dọc tunnel; 3 – gương đào nơi khí sạch đẩy và khí bẩn bị hút cùng đi sang phia bên đối diện của vách ngăn dọc; 4 – khí thải;

5 - giếng thông khí.

Phương án hình 7.3.a quạt gió được đặt trên mặt đất để hút hoặc đặt tại miêng sáo dưới của ống dẫn khí thải số 3 ngay tại gương đào hoặc đặt nhiều quạt nối tiếp cho phép sử dụng nhiều quạt công suất nhỏ Phương án hình 7.3.b quạt đặt trên miệng giếng thông khí 5 để hút khí cưỡng bức hoặc dùng các vách ngăn kết hợp với hút gió cục bộ

Ưu điểm của phương pháp thông gió hút

- Do áp suất mọi điểm trong các đường lò đều nhỏ hơn áp suất khí trời, cho nên khi gặp sự cố, quạt ngừng làm việc, áp suất không khí trong lò dần dần tăng lên bằng áp suất khí trời nhờ dòng khí sạch vẫn tiếp tục đi vào mặc dù quạt ngừng hoạt động Cùng với việc dừng các máy thi công thì không khí trong lò vẫn sạch nhờ khí sạch chảy vào

- Khi sử dụng nhiều quạt gió hút đặt ở các cánh hoặc các đoạn tunnel sẽ

có tác dụng nâng cao cường độ và hiệu quả thông gió Đồng thời cho phép sử dụng quạt có công suất nhỏ hơn

Nhược điểm của phương pháp thông gíó hút:

- Các quạt gió hút gió bẩn chứa nhiều bụi và khí có hại sẽ tập trung qua rãnh gió và qua quạt nên quạt làm việc nhanh bị bẩn, phải thường xuyên làm sạch bụi ở các cánh quạt gió

- Khi sử dụng nhiều quạt làm việc song song với nhau thì hiệu suất của các quạt sẽ bị giảm đi, việc điều chỉnh lưu lượng gió sẽ phức tạp hơn nhiều, tiêu thụ năng lượng tăng lên vì một số trong những quạt đó sẽ làm việc không kinh tế, tính ổn định của mạng gió kém

Tóm lại, phương pháp thông gió hút nên được áp dụng ở tuyến ngầm có

độ sâu khoảng từ > 100 m, địa chất ổn định và không có những khe nứt thông với khí trời

3) Thông gió kiểu liên hợp

Với phương pháp này, một phần các tuyến có áp suất dư (lớn hơn áp suất khí trời) do quạt đẩy tạo nên, còn một phần khác do quạt hút tạo nên áp suất chân không (nhỏ hơn áp suất khí trời) Mặt khác trong đường lò sẽ có những vùng mà ở đó áp suất không khí bằng áp suất khí trời, sự rò gió giữa vùng đó

và mặt đất sẽ không sảy ra ngay cả khi tuyến ngầm được đặt không sâu Sơ đồ

bố trí thiết bị hình 7.4

Hình 7.4 Sơ đồ nguyên lý phương pháp thông gió liên hợp đẩy – hút:

1 - quạt đẩy; 2 - đoạn tunnel áp suất cao hơn khí quyển; 3 - đoạn tunnel áp suất thấp hơn khí

quyển; 4 - quạt hút

Ưu điểm của phương pháp thông gió liên hợp:

- Có thể áp dụng để loại trừ sự rò gió giữa mặt đất với đường lò qua vùng khai thác khoáng sản

- Hạ áp chung của mỏ được phân chia thành hai thành phần tương ứng với quạt đẩy và quạt hút làm cho độ chênh áp giữa không khí trong lò và ngoài trời giảm đi

Ngoài ra còn có khái niệm 2 sơ đồ thông gió tuyến công trình ngầm đó là: Thông gió trung tâm toàn tuyến và thông gió cục bộ

Hình 7.4 Hai sơ đồ thông gió tuyến công trình ngầm:

a) thông gió trung tâm toàn tuyến; b) thông gió cục bộ theo theo nhánh tunnel

III Các thiết bị thông gió và công dụng của chúng

1) Quạt thông gió tuyến ngầm

- Quạt gió là nguồn động lực duy nhất để thông gió cho công trình ngầm

- Quạt gió là thiết bị duy nhất tạo áp suất dương hoặc âm cho tuyến ngầm tạo điều kiện cho trao đổi khí

Phân loại quạt

2) Phân loại quạt theo các dấu hiệu sau:

a) Theo nguyên lý hoạt động: Quạt chia làm hai nhóm chính là quạt gió

hướng trục và quạt gió ly tâm

+ Quạt gió hướng trục : Là loại quạt có hướng gió vào và hướng gió ra khỏi bánh công tác của quạt đồng phương với trục của quạt

Hình 7.5 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động quạt thông gió tuyến

ngầm loại hướng trục:

1 – Dòng khí hút; 2 – khí được đẩy đi theo hướng dọc trục tới ống dẫn khí;3 – cánh quạt có thể

điều chỉnh góc nghiêng so với trục của quạt

- Ưu điểm: Hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn Có thể điều chỉnh được lưu lượng quạt bằng cách thay đổi góc nghiêng cánh công tác

- Nhược điểm: Tiếng ồn lớn, cấu tạo phức tạo, bảo quản và sửa chữa khó khăn

+ Quạt gió ly tâm: Là loại quạt có hướng gió ra khỏi bánh công tác vuông góc với trục quạt

Ưu, nhược điểm ngược với quạt hướng trục

Hình 7.6 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động quạt thông gió tuyến

ngầm loại hướng ly tâm:

1 – dòng khí hút nhờ áp suất âm giữa các cánh quạt; 2 – các cánh quạt; 3 – dòng khí bị đẩy đi

do lực ly tâm.

b) Phân loại quạt theo nhiệm vụ công tác

Có ba loại: quạt chính, quạt phụ và quạt cục bộ

1 Quạt gió chính: Là quạt gió làm nhiệm vụ thông gió cho toàn bộ tuyến hoặc một khu vực lớn có tính chất gần như độc lập Quạt gió chính thường đặt trên mặt đất, đôi khi trong điều kiện đặc biệt thì đặt trong tuyến ngầm Quạt gió chính thường là quạt lớn có công suất từ vài chục đến hàng ngàn KW, có lưu lượng từ hàng chục đến vài trăm m3/s, nó hạ áp suất bằng mấy chục đến vài trăm kg/m2

2 Quạt gió phụ: Làm nhiệm vụ tăng cường lưu lượng gió cho một khu vực nào đó đã được thông gió bằng quạt chính, nghĩa là quạt gió phụ có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng gió do quạt gió chính tạo ra cho phù hợp với yêu cầu sản xuất

3 Quạt gió cục bộ: Làm nhiệm vụ thông gió cục bộ cho các đường tunnel cụt hay các đường lò chuẩn bị khi đang đào

C) Phân loại theo hạ áp suất của quạt:

- Quạt có hạ áp nhỏ : hq < 100kg/m2

- Quạt có hạ áp trung bình : hq = (100 - 300)kg/m2

- Quạt có hạ áp lớn : hq > 300kg/m2

2) Tường chắn trong mạng lưới thông gió tuyến ngầm:

Tường chắn trong mạng lưới thông gió tuyến ngầm có nhiệm vụ ngăn từng khoang không gian tuyến ngầm hoặc một đoạn tuyến ngầm cụt tạo điều kiện cho việc thay đổi khí cục bộ nhanh và triệt để hơn Theo vật liệu làm ra tường chắng có những loại sau: Tường chắn bằng bê tông, bằng gỗ, bằng thép

và đôi khi còn được xây bằng gạch

Tường chắn trong mạng lưới thông gió tuyến ngầm thường được làm với cửa ra vào để công nhân ra hoặc vào khoang đó khi cần thiết

a) b) c)

Hình 7.7 Các kiểu kết cấu tường chắn phân đoạn tunnel để thông gió:

a) Tường chắn bằng bằng gỗ b) Tường chắn bằng xây bằng gạch c)Tường chắn kiểu cử gỗ có

của sổ nhỏ.

3) Ống dẫn gió:

Ống dẫn gió được treo trên vách và nóc tunnel để dẫn gió ngăn cách giữa không khí sạch và không khí bẩn èng dẫn gió loại dùng cho thông gió kiểu đẩy có thể dùng ống dạng bạt được khâu tạo thành ống, phía trong là lõi thép dạng lò xo để treo lên vách lò Khi gió đẩy vào sẽ làm cho bạt căng ra dẫn khí tới gương đào, một phần dò gỉ theo đường ống dẫn là cho phép

Ống dẫn gió dùng cho phương án hút thì phải dùng ống có kết cấu từ kim loại cứng

Đôi khi ống dẫn gió có loại đảo chiều, loại này chỉ có thể là ống kim loại cứng

§ 7.2 Máy và thiết bị xử lý nền đất yếu dưới sâu trong thi công tuyến ngầm

I Sự cần thiết phải gia cố nên đất yếu dưới sâu

Tuyến ngầm được thi công theo các công nghệ các biện pháp khác nhau như đã nêu ở phần tổng quan, một mặt nào đó mỗi công nghệ phù hợp cho một loại địa chất công trình và các điều kiện khác hợp lại cho phép chúng ta giảm thiểu các nguy cơ mất an toàn trong quá trình thi công Tuy nhiên trên thực tế nhiều vùng đất có điều kiện địa chất vô cùng phức tạp với những túi bùn xen kẽ giữa các lớp đất cứng, đôi khi túi bùn lớn và linh động đến mức mà ngay cả khi ta đã chọn các tổ hợp khiên giữ gương đào phù hợp như EPB, SPB, MIX – PB thì càng đào bao nhiêu đất ở nơi khác lại tiếp tục đổ về bấy nhiêu, nếu cứ tiếp tục đào ta sẽ phải hút hết cả túi bùn khổng lồ đó Dự án xây dựng tuyến ngầm SMART – TUNNEL Malayssia là một ví dụ điển hình khi đào qua túi bùn lớn đã làm cho cả một vùng có tuyến ngầm đi qua bị sụt sâu xuống

kể cả đường cao tốc trên bề mặt Nếu cứ tiếp tục đào sẽ tiếp tục làm sụt các vùng lân cận Về mặt lý thuyết thì quá trình sụt này chỉ dừng lại khi bùn đã hút hết giống hệt như ta bơm cạn cả một hồ nước (nước ở đây chính là bùn) bao giờ thấy hở tuyến ngầm ra thì mới hết

Có rất nhiều giải pháp để đào đất trong trường hợp này đó là:

- Đào đất trong điều kiện nhiệt độ âm: Nước ngầm sẽ đóng băng và tự

ổn định Tuy nhiên sau khi đào và thi công xong thì tunnel sẽ phải làm việc trong điều kiện tương tác giữa kết cấu bê tông cốt thép và môi trường túi bùn giả lỏng Để kết cấu này làm việc được trong điều kiện đó sẽ khá phức tạp ở đây ta thôi bàn về kết cấu

- Đào đất bằng khí nén với áp suất cực lớn, lớn hơn cả áp lực nước bùn Phương án này không phải là không khả thi nhưng áp lực khí phải là vô cùng lớn

- Hạ nước ngầm bằng bấc thấm kết hợp tải trọng tĩnh, phương án này mất thời gian và đòi hỏi mặt bằng trên mặt đất phải đủ lớn

Ngoài ra còn một vài giải pháp nữa, tuy nhiên giải pháp đã và đang được ứng dụng một cách hiệu quả đó là: Xử lý nền đất yếu dưới sâu bằng công nghệ khoan phụt vữa cao áp

II Công nghệ sử lý nền đất yếu bằng tia vữa cao áp

1 Bản chất công nghệ:

Bản chất của công nghệ gia cố nền đất yếu dưới sâu bằng khoan phụt vữa cao áp (jet grouting) là sử dụng động năng của tia vữa có áp suất cao (50 – 60 MPa) và vận tốc cao (≥100m/s) để cắt và đồng thời nhào trộn tia xi măng với đất yếu theo chế độ “mix-in-place” (trộn tại chỗ) Hỗn hợp dung dịch xi

măng và đất được trộn sẽ ninh kết lại và tạo ra một loại vật liệu mới – gọi là bê tông đất (hoặc xi măng đất), với những đặc tính bền, biến dạng, chống thấm và khả năng chịu tải tốt hơn hẳn so với nền đất yếu nguyên thổ trước đó

Hình 7.8 Khoan phụt vữa cao áp (dùng động năng của tia vữa cắt & trộn với

đất)

2 Các công nghệ gia cố nền đất yếu bằng tia vữa cao áp

Trên thực tế có ba dạng công nghệ khoan phụt vữa cao áp đã và đang được ứng dụng để xử lý nền đất yếu là: công nghệ đơn pha - còn được gọi là công nghệ “S” (Single); công nghệ hai pha -còn được gọi là công nghệ “D” (double) và công nghệ ba pha - còn được gọi là công nghệ “T” (triple)

a Công nghệ đơn pha (Công nghệ S):

Hình 7.9 Công nghệ đơn pha (Công nghệ S)

Vữa phụt ra với vận tốc ≥ 100m/s, vừa cắt đất vừa trộn vữa với đất một cách đồng thời, tạo ra một cột đất - xi măng đồng đều với độ cứng cao và hạn chế đất trào ngược lên hoặc trở lại

Ở đây chỉ có một pha duy nhất là vữa xi măng có áp suất và vận tốc cao sau khi ra khỏi vòi phun cắt trộn với đất xung quanh ty khoan tạo ra hỗn hợp đất xi măng

Cấu tạo đầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ phun vữa Các lỗ phun có thể được bố trí ngang hàng hoặc lệch hàng, và có độ lệch góc đều nhau

b Công nghệ hai pha (Công nghệ D):

Hình 7.9 Công nghệ hai pha (Công nghệ D)

Đây là hệ thống phụt vữa kết hợp vữa với không khí Hỗn hợp vữa xi măng được bơm ở áp suất cao, tốc độ 100m/s và được trợ giúp bởi một tia khí nén bao bọc quanh vòi phun Vòng khí nén sẽ làm giảm ma sát giữa đất và tia vữa cho phép vữa xâm nhập sâu vào trong đất, do vậy tạo ra cột đất - xi măng

có đường kính lớn

c Công nghệ ba pha (công nghệ T):

Hình 7.10 Công nghệ ba pha (công nghệ T)

Quá trình phụt có cả vữa, không khí và nước Không giống phụt đơn pha

và phụt hai pha, nước được bơm dưới áp suất cao và kết hợp với dòng khí nén xung quanh vòi nước và điều này cho phép đuổi khí ra khỏi cột đất gia cố Một vòi phun vữa cao áp được bố trí ngay phía dưới vòi phun nước để phun vữa xi măng có áp suất cao để trộn với đất sau khi đã bị xới tơi bởi nước và khí để tạo

ra hỗn hợp xi măng đất và nước

III Quy trình thi công