Nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm, xác định các thông số hợp lý của thiết bị làm đường hầm kích thước nhỏ

Rnk – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu tố bền của đá nguyên khối khi nén đơn trục RRDQ – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu tố chỉ tiêu chất lượng đá RDQ Rj – chỉ tiêu đánh giá s

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐÀO NGỌC VƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ

LÀM ĐƯỜNG HẦM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ HỢP LÍ CỦA THIẾT BỊ LÀM ĐƯỜNG HẦM KÍCH THƯỚC NHỎ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ XÂY DỰNG - NÂNG CHUYỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HOC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Giảng viên chính, Tiến sĩ Nguyễn Danh Sơn Chữ ký

Cán bộ chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Họ tên cán bộ chấm nhận xét 1: Chữ ký

Học hàm: Học vị

Cán bộ chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Họ tên cán bộ chấm nhận xét 2: Chữ ký

Học hàm: Học vị

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , ngày tháng năm 20

- -oOo -

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Đào Ngọc Vương Giới tính : Nam / Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 19–09–1985 Nơi sinh: Hưng Yên

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị xây dựng – nâng chuyển

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2010

Mã số học viên: 10300440

1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm Xác định các thông số hợp lí của thiết bị làm đường hầm kích thước nhỏ

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Nghiên cứu, phân tích, thống kê công nghệ và thiết bị làm đường hầm

 Tìm hiểu các lý thuyết và kết quả nghiên cứu mới nhất trên thế giới liên quan tới

đề tài

 Phân tích, thống kê các thông số thiết bị làm đường hầm hiện có Xác định các thống số cơ bản của thiết bị làm đường hầm

 Xác định cơ sở khoa học của công nghệ và thiết bị làm đường hầm

 Xác định và mô hình lựa chọn các thông số hợp lí của máy khoan hầm toàn tiết diện nhỏ

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 29-08-2011

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 04–01–2011

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): Giảng viên viên chính, Tiến Sĩ Nguyễn Danh Sơn

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪNCHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

Tác giả: Đào Ngọc Vương

Tác giả xin gửi lời cám ơn đến quý thầy cô của Bô Môn Cơ Giới Hóa

Xí Nghiệp - Xây Dựng Đặc biệt là thầy Nguyễn Danh Sơn đã quan tâm, hướng dẫn nhiệt tình và tận tâm trong quá trình hoàn thành luận văn thạc sĩ Tác giả gửi lời cám ơn thư viện trung tâm Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh

đã tạo điều kiện về nguồn tài liệu trong suốt quá trình tham khảo làm luận văn thạc sĩ Xin gửi lời cám ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ trong suốt qua trình hoàn thành luận văn thạc sĩ

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 12 năm 2011

Danh sách kí hiệu

Danh sách hình ảnh

Lời nói đầu 1

Chương 1 Tổng quan về công nghệ và thiết bị làm đường hầm 2

1.1 Giới thiệu chung về công nghệ và thiết bị làm đường hầm 2

1.2 Mục tiêu và giới hạn nghiên cứu của đề tài 9

Chương 2 Nghiên cứu về công nghệ và thiết bị làm đường hầm 10

2.1 Các phương pháp làm đường hầm 10

2.2 Phân loại công nghệ và thiết bị làm đường hầm 17

2.3 Công nghệ và thiết bị làm đường hầm theo phương pháp mỏ 18

2.4 Công nghệ và thiết bị làm đường hầm toàn tiết diện 26

2.5 Công nghệ và thiết bị làm đường hầm khoan cắt từng phần 38

2.6 Công nghệ và thiết bị làm đường hầm nhỏ 45

Chương 3 Cơ sở khoa học của công nghệ và thiết bị làm đường hầm 58

3.1 Cơ sở lý thuyết địa chất của việc xây dựng đường hầm 58

3.2 Cơ sở lý thuyết cắt đất đá trong xây dựng đường hầm 77

3.3 Cơ sở lý thuyết tính toán áp lực đất lên đầu máy làm đường hầm hoặc tường chắn 88

Chương 4 Xác định các thông số hợp lí của thiết bị khoan đường hầm kích thước nhỏ 93

4.1 Giới thiệu chung về máy khoan hầm nhỏ 93

4.2 Một số thông số hợp lí của máy khoan hầm nhỏ 96

4.3 Mô hình và tính toán lựa chọn máy khoan hầm nhỏ có đường kính D=2150mm 104

Kết luận và kiến nghị 109 Phụ lục

Tài liệu tham khảo

VK, Vn , Vh, Vr, V- thể tích khí, nước, hạt rắn, lỗ rỗng và thể tích toàn bộ mẫu đất

Gbh- độ bão hòa của đất

bh- dung trọng bão hòa của đất

dn- dung trọng đẩy nổi của đất

Q - lượng nước thấm qua mặt cắt F trong thời gian (t)

H1, H2 : chiều cao cột nước ứng với mức 1, 2

E- mô đun đàn hồi

µ-hệ số biến dạng ngang

G- mô đun đàn hồi chống cắt

B- mô đun đàn hồi khối

F0 – diện tích mặt cắt ngang ban đầu

ε0 – giá trị biến dạng tức thời ban đầu

ε1 – giá trị biến dạng của quá trình lưu biến không ổn định

ε2 – giá trị biến dạng của quá trình lưu biến ổn định

ε1 – giá trị biến dạng của quá trình chảy-dẻo-phá hủy

S – chỉ tiêu ổn định tổng hợp

f – hệ số kiên cố của đá theo phương pháp Protodiakonov M M

kM – hệ số không thứ nguyên đặc trưng cho sự ảnh hưởng của mức độ nứt nẻ của khối đá

kN – hệ số không thứ nguyên đặc trưng cho sự ảnh hưởng của số lượng hệ nứt nẻ của khối đá

kR – hệ số không thứ nguyên đặc trưng cho sự ảnh hưởng của mức độ gồ ghề của

RDQ – chỉ tiêu định lượng chất lượng khối đá

L1 - tổng chiều dài của tất cả các đoạn lõi khoan

Lp – tổng chiều dài của các đoạn lõi khoan có chiều dài lớn hơn 10cm sau khi thu hồi

RSR – chỉ tiêu cấu trúc khối đá

A – nhóm các thông số địa kỹ thuật đánh giá cấu trúc khối đá

B- nhóm thông số xét tới hiệu ứng đặc tính các mặt yếu so với hướng thi công công trình ngầm

C – các thông số xét tới hiệu ứng về sư xâm nhập nước ngầm và điều kiện nứt nẻ

Rnk – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu tố bền của đá nguyên khối khi nén đơn trục

RRDQ – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu tố chỉ tiêu chất lượng đá RDQ

Rj – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu tố khoảng cách giữa các khe nứt

Rr – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu tố trạng thái khe nứt, mức độ gồ ghề của thành khe nứt

Rw – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu tố trạng thái nước ngầm, lưu lượng nước ngầm chảy qua công trình

ROJ – chỉ tiêu đánh giá sự ảnh hưởng từ yếu hướng và góc phát triển của nứt nẻ so với trục thi công của công trình ngầm

RMRTBM – chỉ tiêu ổn định RMR của máy khoan hầm TBM

RMRD+B – chỉ tiêu ổn định RMR của phương pháp khoan nổ

Q – chỉ tiêu chất lượng đào đường hầm

Jn – chỉ tiêu đặc trưng cho độ gồ ghề của bề mặt nứt nẻ

Ja – chỉ tiêu đặc trưng cho sự biến đổi các đặc tính tiếp xúc, chất lấp nhét,…

Jw – chỉ tiêu đặc trưng cho sự biến đổi đặc tính thể hiện nước ngầm trong khe nứt của khối đá

SRF – chỉ tiêu đặc trưng cho đặc tính biến đổi của các điều kiện thể trạng ứng suất khối đá bao quanh công trình ngầm (công trình đào qua các vùng yếu có tính chất địa cơ học khác nhau; mối quan hệ giữa độ bền nén độ bền kéo của khối đá so với trạng thái ứng suất chính lớn nhất, ứng suất chính nhỏ nhất thuốc trạng thái ứng suất thứ cấp xuất hiện trong khối đá chứa công trình ngầm; giá tri áp lực nhỏ nén ép cụ thể trong khối đá,…

σ1 – giá trị ứng suất chính lớn nhất khi phá hủy

σ3 – giá trị ứng suất chính nhỏ nhất

Rn.m – giới hạn bền nén đơn trục của mẫu đá

m, s – các hằng số phụ thuộc vào tính chất của đá và mức độ phá hủy của chúng dưới tác dụng σ1, σ3

FC – lực cắt ngang thành phần phụ thuộc vào hướng chuyển động của dụng cụ cắt

FN – lực cắt đứng thành phần tác động xuyên tới bề mặt đất đá được duy trì tại độ sâu xuyên

 - góc ma sát giữa đất và máy khoan hầm

Ka*, Kp* - hệ số áp lực chủ động và bị động của đất theo lý

S – khoảng cách các đĩa cắt

Hr – tổng độ cứng (Total hardness) theo Tarkoy (1983)

nc - số đĩa cắt trên đầu cắt

Pc– công suất của đầu cắt máy khoan hầm MTBM

Tq – mô men của đầu cắt máy khoan hầm MTBM

 – hiệu suất chung của máy

k – hệ số chuyển đổi năng lượng

SE – năng lượng riêng của cắt

HP - tổng công suất của máy khoan hầm MTBM

Q- năng suất đào của máy khoan hầm

ROP – tốc độ tiến của máy khoan hầm MTBM

A – diện tích mặt cắt máy khoan hầm

σchmax – áp lực lớn nhất cho phép của đầu cắt

Kch - hệ số áp lực của đất đá

D – đường kính đầu cắt máy khoan hầm MTBM

R – bán kính đầu cắt máy khoan hầm MTBM

Hình 1.2- Máy khoan hầm AVN 250-700(Herrenknech)

Hình 1.3 - Máy khoan hầm AVN 1200-1800 TB(Herrenknech)

Hình 1.4 - Thiết bị khoan hầm nhỏ SBU-A (Robbin)

Hình 2.6- Các loaị máy xúc trong hầm

Hình 2.7- Các phương tiện tải đá trên đường ray

Hình 2.8- Máy điện ắc quy AMД-8

Hình 2.14-Máy khoan hầm cho đất đá cứng GTBM của Lovat

Hình 2.15- Cấu tạo máy khoan hầm toàn tiết diện TBM kiểu mở

Hình 2.16- Máy khoan hầm cho đất đá rất cứng

Hình 2.17- Máy khoan hầm cho đất đá rất cứng kiểu có khiên ở trên nóc và thiết

bị lái ở bên hoặc khiên có đầu cắt

Hình 2.18- Cấu tạo máy khoan TBM khiên đơn

Hình 2.19 - Mô hình máy khoan hầm khiên đơn của hãng Herrenkneccht

Hình 2.20- Cấu tạo máy khoan hầm TBM khiên đôi

Hình 2.21- Mô hình máy khoan hầm TBM khiên đôi của hãng Herrenknecht Hình 2.22- Cấu tạo máy khoan hầm cân bằng áp lực đất

Hình 2.23- Mô hình máy khoan hầm cân bằng áp lực đất của hãng Herrenknecht Hình 2.24- Cấu tạo máy khoan hầm trong đất bùn

Hình 2.25- Cấu tạo máy khoan hầm kết hợp

Hình 2.26- Một loại máy đào liên hợp đặc trưng

Hình 2.30- Máy đào búa thủy lực dạng cần

Hình 2.31- Máy đào hầm di động của Robbins Mobile Miner Model 130

(Bullock 1994)

Hình 2.32- Máy đào hầm liên tục Wirth (Mobile Tunnel Miners)

Hình 2.33- Máy đào hầm liên tục Continuous Miner

Hình 2.34- Sơ đồ phân loại công nghệ và thiết bị làm hầm nhỏ

Hình 2.35- Máy khoan hầm cân bằng áp lực đất

Hình 2.36- Máy khoan hầm trong đất bùn

Hình 2.37- Một kiểu máy khoan hầm TBM trong đất đá cứng

Hình 2.38- Khiên đào bằng tay

Hình 2.39- Khiên đào bằng máy

Hình 2.40- Sơ đồ nguyên lý khoan đường hầm nhỏ bằng máy khoan hầm MTBM Hình 2.41- Máy khoan MTBM trong đá

Hình 2.42- Máy khoan MTBM kết hợp

Hình 2.43- Máy khoan định hướng HDD

Hình 2.44 - Sơ đồ nguyên lý khoan ngang định hướng (HDD)

Hình 2.45- Sơ đồ nguyên lý của máy khoan cánh xoắn ngang

Hình 2.46- Mô hình máy khoan cánh xoắn ngang

Hình 2.47- Sơ đồ thi công bằng máy khoan đầm nén ống PR

Hình 2.48- Lắp đặt ống dẫn hướng

Hình 2.49- Lắp đặt vỏ khoan

Hình 2.50- lắp đặt vỏ khoan kế tiếp và ống

Hình 2.51- Máy khoan ngang nhỏ có ống dẫn hướng PTMT

Hình 3.1- Sơ đồ quy ước ba pha của đất và tỷ lệ giữa chúng

Hình 3.2- sơ đồ tính áp lực thủy động

Hình 3.3- Biểu đồ của Krey và Tiedemann

Hình 3.4- Biểu đồ “ứng suất – biến dạng” tổng quát của đá ( theo Baklasov I.V

và KArtozia B A.)

Hình 3.5 - Các sơ đồ quan hệ phi tuyến “σm-ε” cho đá gabro và đất sét kết ( theo

Baklasov I.V và Kartozia B A.)

Hình 3.6 – Biểu đồ thể hiện đặc tính lưu biến của đá ( theo Baklasov I.V và

Hình 3.9 – Các phương pháp phá vỡ đất đá

Hình 3.10- Các phương pháp phá vỡ đất đá bằng dụng cụ

Hình 3.11- Mô tả quá trình phát triển vết nứt trong đất đá (Speight 1997)

Hình 3.12- Hai kiểu cắt chính (Speight 1997)

Hình 3.13- Mô hình tính toán phá vỡ đất đá bằng răng cắt

Hình 3.14- Đĩa cắt và tác động cắt

Hình 3.15 – Mô hình lực cắt và hình dạng cho đường cắt

Hình 3.16 – Hình dạng phân bố áp suất với hàm lũy thừa (Rostami 1991)

Hình 3.17 – Mô hình áp lực tĩnh của đất ở trạng thái cân bằng

Hình 3.18 – Mô hình tính áp lực của đất lên đầu cắt máy khoan TBM

Hình 4.1- Sơ đồ công nghệ khoan đường hầm kích thước nhỏ

Hình 4.2 –Hình dạng một số loại đĩa cắt

Hình 4.3 – Mô hình tính lực tác dụng lên đĩa cắt

Hình 4.4 – Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ quay của đầu cắt và đường

kính máy khoan hầm TBM tương ứng với từng loại đĩa cắt

Hình 4.5 – Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa SE và S/p

Hình 4.6 – Mô hình tính áp lực lớn nhất của đầu cắt máy MTBM

Hình 4.7 – Sơ đồ chọn máy khoan hầm MTBM

Lời nói đầu

Trong những năm qua, đất nước ta đã đạt được những thành tựu to lớn trong các lĩnh vực kinh tế, chính trị, xã hội Cùng với tốc độ phát triển kinh tế nhanh thì việc phát triển cơ sở hạ tầng rất cấp thiết Trong đó việc phát triển đường hầm và không gian ngầm ngày càng đóng một vai trò quan trọng

Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ mới trong ngành đường hầm ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao, đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của xã hội

Do đó trong công tác thi công các công trình kỹ thuật hạ tầng ngầm trong đô thị với mặt bằng chật hẹp nhưng phải bảo đảm các điều kiện khắt khe về môi trường, giao thông… thì công nghệ làm đường hầm theo kỹ thuật đào kín là sự lựa chọn phù hợp

Cùng với sự phát triển việc xây dựng đường hầm theo kỹ thuật đào kín thì công nghệ và thiết bị thi công cũng đòi hỏi có sự phát triển tương ứng Vì vậy nhu cầu cơ giới hoá lĩnh vực làm đường hầm càng trở nên cấp bách

Trên thế giới công nghệ và thiết bị làm đường hầm bằng máy khoan hầm toàn tiết diện đã được áp dụng rộng rãi không những trong lĩnh vực cấp nước, thoát nước và ống dẫn khí, điện, điện thoại, hơi dầu, tunnel kỹ thuật mà còn trong lĩnh vực đường tàu điện ngầm (metro), hệ thống đường giao thông hiện đại

Ở Việt Nam, công nghệ và thiết bị làm đường hầm bằng máy khoan hầm toàn tiết diện nhỏ kết hợp với công nghệ kích đẩy đang có những đầu tư nghiên cứu

và phát triển Đặc biệt việc nghiên cứu công nghệ, thiết bị khoan đường hầm bằng máy khoan hầm toàn tiết diện kích thước nhỏ áp dụng trong thành phố

Do mới áp dụng ở nước ta chưa lâu nên nhiều vấn đề công nghệ, lý luận và thực tiễn chưa có những nghiên cứu đầy đủ Đặc biệt công nghệ và thiết bị làm đường hầm theo kỹ thuật đào kín áp dụng trong lĩnh vực cấp nước, thoát nước và ống dẫn khí, điện, điện thoại, hơi dầu, tunnel kỹ thuật,… Từ thực tiễn đòi hỏi phải nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm nói chung và đường hầm nhỏ nói riêng

Chương 1 Tổng quan về công nghệ và thiết bị làm đường hầm

1.1 Giới thiệu chung về công nghệ và thiết bị làm đường hầm

Sự cần thiết của đường hầm và các lợi ích mà chúng mang lại là không thể tính hết Đường hầm giúp cải thiện các kết nối và làm rút ngắn các đường giao thông huyết mạch Bằng cách đưa giao thông xuống ngầm, hệ thống đường hầm giúp nâng cao chất lượng cuộc sống phía trên mặt đất và có thể có một tác động kinh tế to lớn Việc sử dụng không gian ngầm cho các mục đích như lưu trữ, các nhà máy điện, xử lý nước, ống dẫn khí, điện, điện thoại, hơi dầu, đường hầm kỹ thuật, hệ thống giao thông, quốc phòng và các hoạt động khác thường là một yêu cầu bắt buộc trên quan điểm thiếu không gian mặt đất, vận hành an toàn, bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng Tất nhiên, xây dựng đường hầm thì có nguy cơ rủi ro, đắt đỏ và đòi hỏi một trình độ cao về

kỹ năng kỹ thuật

Từ trước đến nay các yếu tố về địa chất, cụ thể là các điều kiện địa chất của khối nền luôn đóng vai trò chủ yếu trong việc quyết định tính khả thi chung của một dự án đường hầm Bởi vậy, trình độ kỹ thuật trước đây chỉ cho phép xây dựng các đường hầm ngắn Ngày nay nhờ những tiến bộ về khoa học công nghệ người ta có thể xây dựng được những đường hầm ở bất kỳ nơi nào khi cần thiết hoặc có chủ định làm Nhiều năm lại đây, những lợi ích về chính trị và đặc biệt là về môi trường trở thành những yếu tố thiết yếu và trong một

số trường hợp, có tầm quan trọng không kém so với các yếu tố về kỹ thuật và địa chất Việc liên kết công trình đường hầm với các mạng lưới giao thông hiện có cũng là một yếu tố có tính quyết định Do những ràng buộc này mà các công trình đường hầm thường phải bố trí trên các tuyến đường đi qua khu vực địa tầng có cấu trúc không phải là lý tưởng, đó là các khu vực đô thị lớn, thường nằm ở các vùng châu thổ Mặc dù hiện nay những khía cạnh về địa chất được xem là thứ yếu và được kỳ vọng là có thể giải quyết được với công nghệ hiện có Song trên thực tế, việc đào hầm trong đất mềm yếu và đất đá cứng vẫn là một thách đố nan giải đối với giới xây dựng đường hầm, bởi vì luôn có những rủi ro khó lường

Hiện có rất nhiều phương pháp làm đường hầm, có thể tạm chia thành ba nhóm như sau: Phương pháp đào và lấp (thi công hở), thi công ngầm (thi công kín), phương pháp hầm dìm (khi thi công hầm trong nước) Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm nhất định và tuỳ từng điều kiện địa chất, hiện trường, khả năng công nghệ cụ thể mà có thể vận dụng hợp lí

Đặc điểm của thi công ngầm so với thi công hở là cần phải tạo ra một hang có kích thước đủ để bố trí công trình đã được thiết kế Việc đào đất đá–tức là tách đất đá ra và chuyển ra bãi thải là quá trình hết sứa khó khăn đòi hỏi phải được cơ giới hoá một cách tối đa Việc lựa chọn phương pháp và công nghệ thi công đất đá bằng cơ giới hoá được xách định trước tiên bởi các tính chất của đất đá (độ cứng, độ dai, độ đàn hồi và độ nứt nẻ,…) Để làm việc này cần phải phân loại đất đá dựa trên sức kháng khoan, biểu thị bằng độ dịch chuyển của lỗ khoan trong một đơn vị thời gian trong điều kiện tiêu chuẩn

Trong xây dựng hầm ngầm thì việc cơ giới hoá các công tác ngầm có một ý nghĩa đặc biệt Để giải quyết vấn đề phức tạp và rất quan trọng này người ta đã trang bị cho khiên đào, máy khoan hầm toàn tiết diện và các thiết

bị cơ giới, với những thiết bị này toàn bộ quá trình thi công từ việc bóc tách đất đá ra khỏi khối địa tầng, đưa chúng vào phương tiện vận chuyển,… đều được cơ giới hoá

Hầm đang được xây dựng một cách liên tục trên phạm vi thế giới và có một sự đa dạng rất lớn về các thành phần chủ đầu tư cũng như mục đích sử dụng Do vậy, bất cứ sự thống kê nào cũng chỉ có thể mang lại thông tin gần đúng về tình hình thực tế Sau đây là bảng liệt kê một số công trình hầm nổi tiếng

Hầm đường sắt St Gotthard (Thụy Sỹ, 1872-1878) 15 km

Các hầm dài nhất (tính đến thời điểm 2005)

Hầm qua eo biển Măng-Sơ (Anh-Pháp, 1986-1993) 50 km

Simplon I (Thụy Sỹ - Italia, 1898-1906) 20 km

Grand-Apennin (Italia, 1921-1930) 19 km

Hầm Gotthard mới (Thụy Sỹ, 1969-1980) 16 km

Các hầm đường sắt qua dãy An-pơ đang xây dựng

Ở Tây Ban Nha, hầm đường sắt đôi Guadarrama đang được đào bằng bốn máy khoan hầm TBM (hai máy của hãng Herrenknecht và hai máy của Wirth) qua địa chất đá cứng (gơnai và granit) và đôi khi có cả các đoạn đất yếu

Dự án hầm qua eo biển Gibraltar chui dưới đáy Địa Trung Hải nối Bồ Đào Nha và Ma-rốc đang được tiến hành khảo sát và đã có một số hội nghị bàn về phương án thiết kế và thi công Hiện công việc chuẩn bị vẫn đang được

Phần ngầm và tàu điện ngầm của khu vực châu Mỹ đã có sự gia tăng rất đáng kể Các ‘con hổ’ và các nước tương đối phát triển khác của châu Á như Singapo, Thái Lan, Malaixia, Đài Loan, Hàn Quốc, Ấn Độ và khu vực Trung Đông như Iran, Thổ Nhĩ Kỳ… đã xây dựng cho mình những hệ thống công trình ngầm ngoạn mục

Để phục vụ cho tàu đường sắt cao tốc Shinkansen ở Nhật, nhiều hầm đã được xây dựng, trong đó hầm dài nhất là Daishimizu với 22,2 km Vào tháng 4/2000 Nhật Bản đã có tổng chiều dài các hầm đường bộ là 2575 km

Lĩnh vực xây dựng đường hầm đã có một lịch sử phát triển lâu đời và vào những năm cuối thế kỷ 20 công nghệ thi công hầm đã có một bước phát triển nhảy vọt khi thiết bị khoan hầm toàn tiết diện (TBM-Tunnel Boring Machine) ra đời và sử dụng rộng rãi

Ngoài ra, hiện nay việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị thi công đường hầm cũng phát triển rất đa dạng như các thiết bị thi công truyền thống (máy đào, xúc,…), thiết bị đào liên hợp (roadheader), thiết bị thuỷ lực, hay thiết bị khoan hầm toàn tiết diện,…

Đặc biệt, những thiết bị thi công đường hầm nhỏ ứng dụng trong xây dựng hệ thống ống nước, ống dẫn khí, cáp điện, cáp viễn thông,…Những thiết

bị này chủ yếu được phát triển ở châu Âu (Đức, Pháp,…), Mỹ, Nhật Bản và một số hãng nổi tiếng như Herrenknech, RobbinTBM, Lovat, akkerman,…

Ở Việt Nam còn rất hạn chế trong việc áp dụng công nghệ khoan hầm toàn tiết diện TBM Hiện tại chúng ta có sử dụng công nghệ TBM tại một số

dự án như dự án thủy điện Đại Ninh, dự án vệ sinh môi trường kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè Ngoài ra, hầu hết các dự án đường hầm khác được xây dựng bằng phương pháp mỏ và một số phương pháp đặc biệt khác

Giới thiệu một số loại thiết bị thi công đường hầm toàn tiết diện tiên tiến:

 EPB SHIELD S-300 (Herrenknech)

 Máy khoan hầm AVN 250-700(Herrenknech)

Bảng thông số kỹ thuật máy khoan hầm nhỏ AVN 250-700

Tổng khối lượng máy

 Máy khoan hầm AVN-TB(Herrenknech)

Bảng thông số kỹ thuật máy khoan hầm nhỏ AVN 1200-1800 TB

của máy (OD)-mm 1505 1810 1740 1970 1810 2150 1970 2150 1970 2150 2150 2425 Tổng khối lượng

máy W(kg) 13000 17000 2200 2400 2500 2900 Chiều dài phần chinh

máy Las(mm) 3750 3750 3800 3900 4200 4200 Chiều dài phần nối

máy Lmc(mm) 3200 3200 3200 3200 3200 3200 Đường kính ngoài

ống(POD)-mm 1490 1790 1720 1940 1790 2120 1940 2120 1490 2120 2120 2400 Đường kính trong

ống(PID)-mm 1200 1500 1400 1600 1500 1600 1600 1800 1600 1900 1900 2000 Công suất (KW) 132 132 160 160 220 250

Mô men xoắn cực

Số vòng quay

LH/RH(rpm) 0-6.7 0-6.7 0-7.7 0-7.7 0-10.4 0-11.9 Lực mỗi chu kì/áp

lực dầu (KN/bar) 752/600 752/600 1000/500 1006/500 1005/600 1272/500 Khoảng chạy mỗi

Ghi chú:

TC - Tiêu chuẩn ; MR - Mở rộng

 Máy khoan hầm nhỏ TCS(Iseki Microtunnelling)

Bảng thông số kỹ thuật máy khoan hầm nhỏ TCS

(inventer controller-60hz)

11.3 6.9 13.7 16.6 32.4 39.9 80.2 6.94 13.6 5.9 11.6 13.7 26.8 27.5 53.2 10.4

Mô men xoắn Max(50hz)

(inventer controller-60hz)

3.0 14.1 11.9 11.9 10.2 10.2 6.0 68.6 2.5 16.9 14.2 14.2 14.2 12.2 7.3 103

 Thiết bị khoan hầm nhỏ(Robbin)

Bảng thông số kỹ thuật máy khoan hầm nhỏ SBU-A

Kí hiệu

Đường kính D (mm)

Số đĩa cắt

Kích thước đĩa cắt (mm)

Mô men xoắn max (N-m) max (KN) Lực đẩy

Kích thước trục lục giác (mm)

SBU-A 72 1880 16 292/365 86920-108200 1000-1780 127

Thông số kỹ thuật chung:

- Đường kính máy khoan hầm: 600 tới 1800mm

- Độ cứng của đá: 25 tới 175 Mpa

Hình 1.4 - Thiết bị khoan hầm nhỏ SBU-A (Robbin) Thông qua những phân tích về ưu nhược điểm, thông số kỹ thuật của một

số thiết bị làm đường hầm toàn tiết diện ở trên cũng như nhu cầu cấp thiết của việc xây dựng không gian ngầm trong đô thị Đặc biệt hệ thống đường hầm nhỏ đòi hỏi những yêu cầu khắt khe của những khu đô thị đông dân cư thì việc

nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm Xác

định các thông số hợp lí của thiết bị làm đường hầm kích thước nhỏ” là cấp

bách và cần thiết

1.2 Mục tiêu và giới hạn nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm trong đất đá Nghiên cứu công nghệ và thiết bị khoan hầm nhỏ toàn tiết diện nhỏ ứng dụng công nghệ kích đẩy trong lắp đặt những đường ống tiết diện tròn Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới máy khoan hầm toàn tiết diện nhỏ và xác định các thông

số làm việc hợp lí cơ bản của máy khoan hầm toàn tiết diện nhỏ

Giới hạn nghiên cứu

 Nghiên cứu tổng quan về công nghệ và thiết bị xây dựng đường hầm trong đất đá

 Nghiên cứu về công nghệ và thiết bị xây dựng đường hầm nhỏ trong đất đá ở thành phố bằng máy khoan hầm toàn tiết diện nhỏ

 Xác định thông số hợp lí của thiết bị làm đường hầm toàn tiết diện nhỏ (Microtunnel Boring Machine –MTBM) chuyên dùng trong thi công đường hầm nhỏ có đường kính D≤ 3.0(m) trong đất đá ở thành phố

 Tính toán các thông số của máy hầm kích nhỏ MTBM dùng để xây dựng đường hầm nhỏ đường kính D=2150mm trong hỗn hợp đất đá cứng ở độ sâu H=20m

Kết luận chương 1: Như vậy, thông qua chương này rút ra một số kết

luận như sau:

 Ngành đường hầm có một lịch sử phát triển lâu dài và có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như lĩnh vực như cấp nước, thoát nước và ống dẫn khí, điện, điện thoại, hơi dầu, tunnel kỹ thuật,… cũng như hệ thống giao thông hiện đại

 Cùng với sự phát triển của ngành đường hầm thì công nghệ và thiết

bị làm đường hầm cũng phát triển tương ứng Từ việc xây dựng đường hầm bằng phương pháp thủ công rồi tới các phương pháp thi công hiện đại bằng cơ giới như máy khoan hầm toàn tiết diện TBM

 Việc lựa chọn công nghệ và thiết bị làm đường hầm phụ thuộc vào đặc tính đường hầm (kích thước, tiết diện, chiều dài hầm, độ sâu đặt hầm, hình dạng hầm, ), điều kiện, vị trí xây dựng đường hầm (xây dựng trong thành phố, qua núi, qua sông, qua biển, ) và điều kiện địa chất

 Hầu hết các khu vực đô thị trên thế giới đều phải đối mặt với nhiều vấn đề lớn như ô nhiễm môi trường, tắc nghẽn giao thông, gia tăng dân số,… thì việc nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm toàn tiết diện TBM và đặc biệt là công nghệ khoan hầm toàn tiết diện nhỏ kết hợp với công nghệ kích đẩy để xây dựng những đường hầm nhỏ có ý nghĩa thực tiễn lớn

 Qua việc nghiên cứu thông số một số máy khoan hầm toàn tiết diện TBM cho thấy khả năng áp dụng công nghệ này trong điều kiện cụ thể

ở Việt Nam

Ở Việt Nam nhu cầu phát triển đường hầm ngày càng cấp bách và đặc biệt là những đường hầm nhỏ ở các thành phố lớn như Hà Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng Vì vậy việc nghiên cứu công nghệ và thiết bị thi công đường hầm nói chung và những đường hầm nhỏ theo kỹ thuật đào kín trong thành phố nói riêng có ý nghĩa thực tiễn lớn và cấp thiết Việc nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm trong đất đá sẽ được triển khai chi tiết ở chương 2

Chương 2 Nghiên cứu về công nghệ và thiết bị làm đường hầm

2.1 Các phương pháp làm đường hầm

Phương pháp đào hầm và công nghệ xây dựng đường hầm khác nhau tùy theo địa chất, vị trí đường hầm, chiều dài và hình học, địa phương, truyền thống…Hiện có rất nhiều phương pháp đào hầm, có thể tạm chia thành 3 nhóm như sau: Phương pháp đào và lấp (đào hở), đào kín, phương pháp hầm dìm (khi thi công hầm trong nước)

Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm nhất định và tuỳ từng điều kiện địa chất, hiện trường, khả năng công nghệ cụ thể mà có thể vận dụng hợp lí Trong đề tài này chỉ giới thiệu một số phương pháp thi công phổ biến nhất hiện nay theo kỹ thuật đào kín như phương pháp hầm mỏ truyền thống, phương pháp xây dựng hầm mới của Áo (New Austrian Tunnelling Method -NATM), phương pháp cơ giới, phương pháp kích đẩy,…

sự liên kết chặt chẽ giữa vỏ hầm và đất đá xung quanh người ta dùng máy bơm ép vữa vào phía sau vỏ Trong trường hợp đào lẹm quá lớn, để tiết kiệm vật liệu vữa bơm người ta có thể chèn thêm đá

Với phương pháp thi công hầm như thế, giữa vỏ hầm và địa tầng không

có sự liên kết chặt chẽ với nhau nên người ta tính toán thiết kế vỏ hầm dựa trên giả thiết sau khi đào hầm xong dần dần đất đá xung quanh hầm bị biến dạng và tác động trực tiếp lên vỏ hầm như là một tải trọng Đất đá biến dạng

sẽ nứt vỡ cho đến khi tự bản thân đất đá hình thành một vòm cân bằng phía trên và hai mặt trượt ở hai bên (được gọi là vòm áp lực) Toàn bộ khối lượng phần đất đá dưới vòm cân bằng và trên mặt trượt hai bên sẽ tác dụng lên vỏ

G.S Protodiakonov đã đưa ra mô hình rời rạc áp dụng vào phương pháp xác định vòm cân bằng và mặt trượt để tính toán áp lực lên vỏ hầm Kích thước vòm cân bằng phụ thuộc vào kích thước hầm và đặc điểm của địa tầng thông qua hệ số kiên cố f được xác định bằng thí nghiệm nén mẫu đất đá (f = R/100) và từ đó địa tầng được phân loại thành 10 cấp theo hệ số kiên cố Việc xác định áp lực địa tầng là một vấn đề hết sức phức tạp vì đặc điểm không đồng nhất của đất đá nên để đảm bảo an toàn phải coi đất đá là rời rạc

và sự khác nhau chỉ thể hiện qua hệ số kiên cố Với quan niệm như vậy giữa địa tầng và vỏ hầm sẽ không có sự tác động tương hỗ nên vỏ hầm thường có kích thước lớn làm tăng giá thành công trình Do vậy, vấn đề đặt ra là làm sao để có thể hạn chế áp lực do sự biến dạng, nứt vỡ, rời rạc của địa tầng và làm sao có thể tạo ra thể thống nhất giữa vỏ hầm và địa tầng

Đa số các công trình ngầm được thiết kế và xây dựng trong đất đá cứng Việc làm tơi đất đá trong quá trình đào hang được thực hiện chủ yếu bằng công tác khoan nổ: khoan vào địa tầng những lỗ khoan có đường kính khác nhau, nạp thuốc nổ để phá vỡ và đập nhỏ đất đá theo mong muốn Theo thống kê cho đến nay việc phá đá bằng khoan nổ mìn chiếm 95% khối lượng đào đất đá ngầm Điều đó chứng tỏ đây là phương pháp khá hiệu quả, đơn giản thực tế trong việc xây dựng hầm

Ngày nay ngành công nghiệp hoá chất sản xuất ra các loại thuốc nổ có tính năng đáp ứng được công tác nổ mìn trong các điều kiện địa chất công trình khác nhau

Công tác nạp mìn có hai dạng chính : Nạp tập trung chiều dài nhỏ hơn

4-5 lần đường kính và nạp kéo dài lớn hơn 4-4-5 lần đường kính Trong xây dựng ngầm chủ yếu dùng cách nạp kéo dài trong lỗ khoan đường kính nhỏ hoặc lớn, kết quả khi nổ một khối thuốc tạo nên phễu nổ mà các thông số cơ bản của nó là đường khoan nhỏ nhất W (đường kháng nhỏ nhất là khoảng cách ngắn nhất từ tâm nổ đến mặt thoáng) và bán kính phễu nổ r Hiệu quả tác dụng nổ n, tức là n= r/W:

 Khi n>1 gọi là nổ mìn tăng cường: đá nổ ra có độ văng khá lớn

 Khi n=1 gọi là tác dụng nổ mìn tiêu chuẩn, đặc trưng bằng việc đã nổ

ra được đập vỡ hết và văng không đáng kể

 Còn khi n<1 thì nổ mìn chỉ làm tơi đá mà thôi

Trong thực tế xây dựng ngầm chủ yếu dùng nổ mìn tác dụng tiêu chuẩn Nạp mìn trong các lỗ ở dạng nạp liên tục hoặc nạp gián đoạn

Nạp liên tục là một khối thuốc hoặc thuốc nổ rồi nhồi vào lỗ khoan có bố

Trong kết cấu nạp thuốc gián đoạn thì các bánh thuốc được cách nhau bằng một đoạn không khí hoặc mẫu gỗ, còn việc truyền nổ từ bánh này sang bánh khác được đảm bảo bằng một sợi dây nổ Khi sử dụng lỗ mìn đường kính bé để vào hang ngầm thì một lần nổ thường tiến hành với một tổ hợp các khối thuốc nạp trong lỗ Sơ đồ bố trí các lỗ đối với mặt thoáng và tổ hợp hợp các lỗ mìn thành từng nhóm cần phải sao cho đường biên hang nhận được chính xác theo thiết kế Khối lượng đá nổ ra tối đa và lượng thuốc nổ dùng là tối thiểu, nổ mìn không soát Sơ đồ bố trí lỗ mìn trên gương, loại thuốc nổ, kết cấu nạp mìn, phương tiện gây nổ, thứ tự nổ thể hiện trong hộ chiếu khoan nổ mìn

Trong thực tế xây dựng công trình ngầm người ta sử dụng chủ yếu và hiệu quả các công nghệ nổ mìn tạo biên sau: phương pháp nạp mìn gần và phương pháp tạo khe trước Những phương pháp này khác nhau chủ yếu ở thứ tự nổ các lỗ mìn bên trong hộ chiếu khoan nổ và do đó cơ chế tác động của năng lượng nổ lên các khối đá bao quanh cũng khác nhau Với phương pháp nổ mìn gần thì các lỗ mìn biên nổ cuối cùng và nổ đồng thời cùng một lúc trong hộ chiếu, có nghĩa là các lỗ biên nổ khi có mặt thoáng thứ hai do đó năng lượng nổ tiêu hao vào việc tạo khe nứt lỗ biên và phá vỡ hàng lỗ ngay sát lỗ biên Với phương pháp tạo khe trước dựa vào sự tác động tương hỗ của các khối nổ không lớn về mặt khối lượng trong các ở trong môi trường chịu nén ép với mục đích nhận được khe nứt dọc theo các lỗ mìn biên Với phương pháp này lỗ mìn được nổ đồng thời với các lỗ đột phá có nghĩa là nổ đầu tiên theo hộ chiếu

 Phương pháp xây dựng hầm mới của Áo (New Austrian Tunnelling Method -NATM)

Phương pháp xây dựng hầm NATM đã được nhiều nước tiên tiến trên thế giới công nhận là phương pháp xây dựng hầm hiện đại và có nhiều ưu điểm so với các phương pháp thông thường Chính vì tính ưu việt của phương pháp NATM nên 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 qua đèo Hải Vân, sau đó được áp dụng thành công vào công trình hầm đường bộ qua đèo Ngang

Những năm trước đây, ở nước ta, Liên Xô cũ và các nước trên thế giới vẫn sử dụng phương pháp mỏ để thi công các đường hầm

Vào khoảng giữa thế kỷ XX, dựa trên lý thuyết biến dạng và việc phân

người Áo, tiêu biểu là Rabcewicz, Muller và Pacher đã rút ra được những kinh nghiệm thực tế trong quá trình thi công nhiều công trình hầm khác nhau trong nước và trên thế giới Trong khi quan sát và giám sát khả năng chống

đỡ của khối đất đá trong đường hầm, họ cố gắng tạo cho khối đá thực hiện đúng chức năng của nó như một thành phần rất quan trọng của hầm, cố gắng giúp nó không mất đi khả năng tự chống đỡ và khi cần thiết sẽ sử dụng thêm kết cấu chống đỡ hỗ trợ Khái niệm này là một thành tựu tiên phong khuyến khích các kỹ sư sử dụng những lớp bê tông phun mỏng thay vì phải dùng một khối lượng gỗ lớn kèm theo những tấm thép và những vòm hầm bê tông dày lúc bấy giờ

Một thời gian ngắn sau chiến tranh thế giới II, sự phát triển của bê tông phun đã tạo điều kiện cho người xây dựng hầm áp dụng ngày càng phổ biến

để xây dựng các đường hầm mới Việc chế tạo ra máy phun bê tông cho phép

sử dụng một khối lượng lớn bê tông phun để thi công gia cố khối đá trong hầm Phương pháp phun bê tông lên bất kỳ bề mặt nào kết hợp với các phụ gia tạo độ cứng cho bê tông rất sớm sau khi phun cho phép thi công một chu

kỳ khoan hầm nhanh hơn Việc áp dụng các vì chống mềm bằng neo thép kết hợp với bê tông phun và lưới thép cho phép hạn chế được biến dạng của khối đất đá xung quanh hầm sau khi đào hầm và liên kết được các khối đá lại với nhau một cách có hiệu quả, làm cho đất đá xung quanh hầm trở thành một phần của kết cấu chống đỡ hầm Sau phát kiến quan trọng, kết hợp với sự phát triển của thiết bị hiện đại và sự ra đời của nhiều loại vật liệu mới, phương pháp xây dựng hầm NATM bắt đầu hình thành và phát triển thành một phương pháp xây dựng hầm tiên tiến trên thế giới Trong cuốn sách của mình "Gebigtack und Tunnelbau" 1944 Giáo sư 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, các nguyên tắc NATM đã được hình thành Các nguyên tắc này được áp dụng bằng các biện pháp khác nhau trong các tình huống biến dạng

cụ thể Từ năm 1956 đến năm 1958 đường hầm cỡ lớn đã được Rabcewicz xây dựng ở Venezuela theo các nguyên tắc NATM Tại Áo, các thử nghiệm đầu tiên được tiến hành vào những năm năm mươi với đường hầm dưới nước

cỡ nhỏ Năm 1963, phương pháp xây dựng đường hầm NATM đã được đưa

ra giới thiệu tại hội thảo về cơ học địa chất tại Sazburg Phương pháp này được gọi là mới vì lúc đó đã có phương pháp truyền thống của Áo và được gọi là kiểu Áo bởi nó do các kỹ sư người Áo phát triển Phương pháp này đã được tiếp tục phát triển trong lĩnh vực trình tự đào và chống đỡ khối đất đá xung quanh vỏ hầm Ngày nay, thiết bị, kết cấu chống đỡ và các biện pháp

NATM đã được triển khai và áp dụng cả đối với địa tầng biến dạng nhiều, đất yếu và các đoạn có hình dạng hình học phức tạp

Phương pháp xây dựng hầm NATM là phương pháp xây dựng hầm được hình thành trên cơ sở lý thuyết đúc kết từ thực tế xây dựng hầm trong thời gian dài, bao gồm các trình tự, biện pháp thi công và xử lý khối đất đá trên vòm hầm sao cho đất đá xung quanh hầm được liên kết thành kết cấu vòm chống đỡ Do đó, tự bản thân khối đất đá xung quanh sẽ trở thành một phần kết cấu chống đỡ hầm

 Phương pháp cơ giới hoá

Trẻ hơn về tuổi đời, song hành với phương pháp NATM là sự phát triển mạnh mẽ của phương pháp thi công hầm cơ giới Cường độ và nhịp độ phát triển của phương pháp đào hầm cơ giới hoá ngày nay đã đưa đến việc hiệp hội hầm quốc tế ITA quyết định tổ chức phiên họp mở rộng tại hội nghị Toronto dành trọn vẹn cho chuyên đề này Sơ đồ nguyên lý đào hầm cho các phương pháp đào hầm bằng máy khoan hầm toàn bề tiết diện (TBM), phương pháp đào hầm bằng khiên (SM), hay TBM Mini và kích đẩy (Pipe-Jacking)

về cơ bản là như nhau

Hình 2.1- Tổ hợp máy khoan hầm TBM Những thiết bị cơ giới hoá đào đất để làm hầm khá đa dạng, kể từ loại máy xúc có trang bị răng xới, các thiết bị đào thuỷ lực và các máy đào hầm liên hợp (Roadheader) cho đến các TBM có cấu tạo khác nhau Ngày nay, TBM là phương pháp đào hầm phổ biến nhất Loại máy đào hầm liên hợp dùng khá hữu ích ở nhiều trường hợp khi sử dụng TBM không có hiệu quả

về mặt chi phí

Về cơ bản phương pháp TBM và SM có rất nhiều điểm giống nhau, sự khác nhau với các tổ hợp đào hiện đại chỉ ở cấu tạo bộ phận công tác (đào

Mặc dầu có nhiều loại phương tiện kỹ thuật đang thịnh hành, song TBM, hay SM và sau này cả kích đẩy (Pipe-Jacking), thiết bị chuyên dùng,

có thể cơ giới hoá được toàn bộ các khâu: đào, chống đỡ, thi công áo hầm và chuyển vận đất thải, đã được công nhận là một trong những đột phá quan trọng về công nghệ thi công hầm

Kỹ thuật đào hầm bằng khiên, một biến thể của kỹ thuật đào bằng TBM

đã được phát triển theo một chiều hướng mà việc ứng dụng hiện nay cho phép thi công an toàn ngay cả trong điều kiện đất rất mềm yếu, có ngậm nước như các loại đất trầm tích chẳng hạn Khi thi công sẽ có hiện tượng lún

bề mặt đáng kể trong các trường hợp mà độ dày tầng đất phủ là nhỏ Tuy nhiên bằng biện pháp dùng vữa phun được kiểm soát tốt để chèn lấp vào khe hổng sau vỏ hầm thì vẫn có thể kiềm chế lún ở mức độ nhỏ và tránh được những phương hại nghiêm trọng đối với các công trình lân cận

Trong công nghệ đào hầm dùng khiên thì lớp vỏ hầm được thi công bằng cách lắp ghép các cấu kiện chế 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 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 của vỏ hầm được đảm bảo bằng cách dùng các vật liệu hàn, đệm và trám kín khe nối giữa các mảnh cấu kiện Tuy nhiên việc làm kín nước lâu dài khó khăn hơn, nếu thật cần thiết thì phải dùng đến lớp áo thứ cấp, 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 mảnh 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

Trong thập niên vừa qua, giải pháp thay thế vỏ hầm lắp ghép nói trên là công nghệ đổ bê tông vỏ hầm theo kiểu ép đẩy (extruded concrete lining- ECL) 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 ECL 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 ECL 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 ECL là một phương pháp triển vọng và cuối cùng là có tính kinh tế, mặc dầu nó đòi hỏi trang bị chuyên dùng để đẩy bê tông, cũng như là phải có ván khuôn bên trong mà khó 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 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

 Phương pháp kích đẩy

Phương pháp kích đẩy là một Kỹ thuật đào ngầm được sử dụng cho các công trình ngầm chủ yếu loại đường ống kỹ thuật, thi công bằng cách đẩy các đoạn ống có chiều dài nhất định với đường kính giới hạn Phương pháp 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 phương pháp đào hở không thích hợp Phương pháp kích đẩy về bản chất, đó là “phương pháp hạ giếng ngang” Cùng cơ sở như nhau cũng có thể gọi nó là phương pháp “Khiên đào mini hay TBM mini” Bản chất phương pháp là vì chống tubin 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 gương hầm theo tiến trình đào đất Để giảm ma sát vì chống với khối đất, không gian phía sau tubin được bơm vữa sét

Trên cơ sở các phương pháp đã và đang phát triển đến nay cho thấy rằng khi tiết diện đường hầm thi công nhỏ có thể sử dụng giải pháp nén ép đất (phương pháp nén xuyên qua) và khi tiết diện thi công lớn hơn phải sử dụng giải pháp tách bóc đất (phương pháp khoan qua hoặc đào qua)

Quá trình thi công được kết hợp với việc cải tạo tính chất làm việc của đất (giảm lực ma sát giữa thành ống và đất đá) bằng các dung dịch không ma sát để tăng khả năng ép đẩy của các đoạn ống (chi tiết về phương pháp kích đẩy có thể tham khảo tại các tài liệu chuyên sâu)

Có thể thấy được các đặc điểm chính cuả kích đẩy là giá thành tương đối rẻ hơn so với khiên đào hay TBM, không làm gián đoạn giao thông, không gây lún bề mặt và vận tốc đào lớn

Ngoài những phương pháp cơ bản trên ra, còn có các phương pháp đặc biệt khác như: Phương pháp làm lạnh, phương pháp nổ ép, giếng chìm hơi

Các đô thị của nước ta cũng nằm trong vùng đất đá có cấu trúc phức tạp với mật độ dân cư dày đặc.Việc xây dựng hầm bằng các phương pháp đào lộ thiên rất khó khả thi do chúng gây các ảnh hưởng đến công trình lân cận và công tác giải phóng mặt bằng rất phức tạp Phương pháp mỏ truyền thống chắc chắn là rất phức tạp và không thể đáp ứng được tiến độ đặt ra, phương pháp NATM với đất đá có cấu trúc phức tạp như trên đòi hỏi phải có các công tác gia cố và do đó sẽ khó đáp ứng được yêu cầu kinh tế cũng như tiến

độ Trong các phương pháp đào hầm thì thi công bằng cơ giới (TBM, SM) đang được phát triển mạnh Đặc biệt là thiết bị khiên đào, TBM trong nền đất

đá có cấu trúc phức tạp hay TBM mini kết hợp với phương pháp kích đẩy dùng trong xây dựng hầm nhỏ Đây chính là các công nghệ đào hầm tiên tiến

mà có khả năng áp dụng rộng rãi trong xây dựng hầm và công trình ngầm đô thị Đặc biệt là qua những nơi có đặc điểm địa chất phức tạp và những vị trí không thể xây dựng lộ thiên ở các đô thị lớn của nước ta

2.2 Phân loại công nghệ và thiết bị làm đường hầm

Đường hầm được làm dưới những vùng địa chất khác nhau từ đất đá cứng tới lớp đất bùn chứa nhiều nước Những công đoạn chính trong xây dựng đường hầm là đào, vỉ vỏ (hệ thống hỗ trợ mặt đất), vận chuyển , lớp áo hầm

Hiện tại có nhiều cách phân loại thiết bị xây dựng đường hầm nhưng chủ yếu phân loại: Theo công dụng và phương pháp thi công, điều kiện địa chất

Dựa vào công dụng của thiết bị xây dựng hầm người ta chia ra làm hai loại cơ bản:

- Máy và thiết bị làm đường hầm giao thông như: Metro, Đường cao tốc, đường giao thông bộ,…

- Máy và thiết bị làm đường đa dụng như: lắp đặt đường ống (cấp thoát nước, ống ga ), hầm kỹ thuật,…

Dựa vào phương pháp thi công của thiết bị xây dựng hầm người ta chia

ra làm hai loại cơ bản: Phương pháp cơ giới và phương pháp mỏ

- Máy và thiết bị làm đường hầm bằng cơ giới bao gồm phương pháp cắt toàn tiết diện, phương pháp cắt từng phần, phương pháp kích đẩy

- Máy và thiết bị làm đường bằng phương pháp mỏ bao gồm khoan-cắt, khoan- nổ mìn

Dựa vào điều kiện địa chất người ta phân loại ra làm hai nhóm thiết bị làm đường hầm cơ bản: địa chất cứng; địa chất mềm và yếu

- Địa chất mềm và yếu: Khiên làm đường hầm với phương pháp đào toàn tiết diện, khiên làm đường hầm với phương pháp đào từng phần

Ngoài ra, người ta còn phân loại theo hình dạng cắt (toàn gương, tang trống, đầu cắt ngang trục, đầu cắt dọc trục); loại công cụ cắt (các răng cắt tiếp xúc điểm, các răng cắt tiếp xúc dạng nêm, các răng cắt tiếp xúc đầu mút, đĩa cắt); độ nghiêng khai đào (ngang, đứng, nghiêng)

Có rất nhiều cách phân loại công nghệ và thiết bị làm đường hầm khác nhau Nhưng hiện nay chủ yếu phân loại dựa theo phương pháp thi công đường hầm Trong đề tài này chủ yếu nghiên cứu công nghệ và thiết bị làm đường hầm dựa vào phương pháp thi công

2.3 Công nghệ và thiết bị làm đường hầm theo phương pháp mỏ

Công tác khoan có liên quan đến một tổ hợp các công đoạn sản xuất liên quan đến việc khoan lỗ trong địa tầng Thuật ngữ khoan: lỗ mìn nhỏ có đường kính ≤75mm việc khoan sâu vào đất đá ≤ 5m tạo ra để bố trí lượng thuốc nổ nhất định, còn lỗ khoan lớn khi tạo khoảng trống đường kính lớn hơn 75mm Vị trí lỗ khoan gọi là miệng lỗ còn phần đáy lỗ gọi là gương khoan

Công tác khoan là quá trình khó khăn nhất, quyết định giá thành công tác đào hầm nói chung Việc khoan lỗ nhỏ được thực hiện bằng búa khoan hoặc máy khoan cũng như khoan điện Còn lỗ mìn lớn bằng máy khoan tự hành

Khi thi công ngầm từ trước đến nay người ta dùng nhiều hơn cả là các búa khoan khí nén Ngày nay, xu hướng dùng chất lỏng được nén với áp lực cao làm năng lượng cũng đang phát triển và đã ra đời các búa khoan thủy lực đảm bảo tốc độ khoan khá lớn

Theo điều kiện áp dụng và phương pháp giữ búa, người ta phân ra làm búa khoan tay, khoan cột và khoan có tay búa co giãn được Loại khoan tay

và khoan có tay búa chủ yếu là khoan đập quay, còn loại khoan cột đỡ có thể

là khoan đập quay và khoan đập xoay Búa khoan tay phân ra làm loại nhẹ, loại trung bình và loại nặng Những búa khoan loại này người ta sử dụng chủ yếu để thi công hầm tiết diện nhỏ, khi thi công các công tác phụ (đào rãnh nước, phá đá quá cỡ…).Những khoan tay loại nặng dùng với số lượng hạn chế để khoan giếng, để khoan các lỗ hướng từ trên xuống Các búa khoan tay trong quá trình thi công được giữ bằng thiết bị chuyên dụng như tay đỡ khí nén, để tiếp nhận phần lớn trọng lượng búa và đảm bảo có lực ép dọc trục cần thiết vào đáy lỗ khoan

Thiết bị khoan

Búa khoan có tay đỡ co rút được dùng để khoan các lỗ thẳng đứng hoặc

có độ nghiêng lớn (≤ 60 độ) đến độ sâu ≤ 4m và được sử dụng rất rộng rãi khi khoan leo gia cố nóc hang Loại búa khoan này thường được gắn lên tổ hợp gọn hoặc một xe mang khí nén để làm cho quá trình đơn giản hơn Máy khoan dạng cột dùng để khoan lỗ chỉ khi có thiết bị đỡ chuyên dụng thì trọng lượng búa rất lớn (đến 150 kg) và lực nén dọc trục cao, đạt tới

12 kN Loại búa khoan này là công cụ chủ yếu để khoan hầm và những công trình tiết diện lớn như gian máy các buồng ngầm …

Đặt trưng chủ yếu của một số loại búa khoan thường dùng được liệt kê trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật một số loại búa khoan Loại búa Tên máy

Dạng nặng lượng

Số lần đập trong 1 phút

Tiêu hao khí nén ( m3/ph)

Trọng lượng ( Kg)Búa khoan

36M ПT-45 ПK-65 ПK-75

ПT-Khí nén

1800-1900 1700-2600 2300-2600 1600-1680 2500-2620

2700-2800 1750-1800

2500

2000

2,5 2,8 3,6 3.5 3,3

37

43

60

75

Bộ phận truyền động chủ yếu trong các búa khoan cột hiện đại thường

là hệ vít me hoặc với một động cơ và hộp số gọn nhẹ đơn giản (khí nén hoặc thuỷ lực) Búa khoan cột cùng với bộ phận truyền động được liên kết với nhau thành một cụm gọi là dầm khoan, là bộ phận chính của các máy khoan trong thi công hầm hiện đại Ngày nay các nước có công nghệ phát triển các dầm khoan thường được gắn lên một xe mang chạy xích hoặc bánh lốp thành các máy khoan tự hành Số lượng dầm khoan gắn lên xe mang có thể là 2,3,5 Đôi khi các loại búa khoan gắn lên xe mang cũng có tổ hợp cần thiết theo yêu cầu của công nghệ thi công

Người ta đã sản xuất thiết bị khoan khá tổng hợp để khoan hầm có tiết diện khác nhau Dầm khoan được gắn một tai khoan để điều khiển, di chuyển dầm khoan Mỗi tổ hợp này được gọi là một mô đun khoan phổ biến hơn cả

là máy khoan tự hành gồm một xe mang có động cơ điezen Trên xe mang có gắn ba mô đun khoan và một cụm điều khiển Trên một mô đun khoan có một búa khoan dạng cột và bộ truyền động di chuyển được trên chiều dài 4m với thiết bị này đảm bảo chính xác các thông số khoan trong hầm rộng 8m cao 7m động cơ điezen của xe mang có thể di chuyển 10km/h

Hình 2.2- Máy khoan tự hành Cùng với các thiết bị khoan đã nêu trên, trong xây dựng hầm còn sử dụng các thiết bị khoan khác nhau về kích thước, công suất, năng lượng và phương pháp di chuyển tính năng như bảng phụ lục 1

Tính năng một số loại máy khoan do các nước sản xuất như trong bảng theo phụ lục 2

Với trình độ công nghệ hiện nay hàng năm thường ra đời các thiết bị khoan hiện đại hơn, công suất lớn hơn, phương thức điều khiển tin cậy và dễ dàng hơn Phương hướng chung là kích thước thu gọn hơn, công suất lớn hơn, năng lượng và phương thức điều khiển tiến bộ hơn và hiệu quả cao kinh

tế cao hơn thế hệ trước

Một dạng thiết bị khoan khác cũng được sử dụng có hiệu quả và khá phổ biến để thi công những hầm tiết diện lớn và chiều dài hầm không lớn lắm (khoảng 500m) là khung khoan Khung khoan là một kết cấu không gian cứng được thiết kế phù hợp với tiết diện hầm có trang bị 2 hay 3 dải búa khoan Mỗi dải này khoan một phần tiết diện của hang đá định sẵn Các dải của khung được khoan đồng thời nên năng suất khoan của khung khá lớn Việc di chuyển khung khoan trong hầm có thể bằng một động cơ gắn trên khung khoan hoặc nhờ một đầu kéo phụ trợ Trên khung khoan có thể đặt các thiết bị để khoan neo, dựng vì chống tạm…

Ưu điểm của khung khoan có thể trang bị các thiết bị cơ giới khác nhau

để thực hiện hết các công đoạn của một chu kỳ Còn nhược điểm chủ yếu là

Ở một số nước đã sử dụng khung khoan với tốc độ dào trên 100m/tháng Sơ đồ nguyên tắc của khung khoan như hình 2.3

1-Các máy búa khoan có tay di chuyển được

Hình 2.3- Khung khoan Khi sử dụng các lỗ mìn đường kính lớn thì các thiết bị khoan tự hành có kích thước không lớn được trang bị các búa khoan đập xoay là thiết bị chủ yếu Thiết bị này có bộ phận nâng hạ búa khoan Búa khoan dùng cần hạ nối

từ nhiều đoạn ngắn (thường nối ren) Việc xoay khoan được thực hiện bằng một động cơ điện còn việc ép cần khoan vào đáy lỗ thì dùng một kết cấu chuyên dụng chạy bằng khí nén thay thuỷ lực ( gọi là quả đập) Dạng chung của thiết bị khoan loại này như trên hình 2.4 Các đặc tính cơ bản của nó như trong bảng 2.2 Khi các lỗ khoan đường kính lớn thường làm sạch lỗ trong quá trình khoan bằng khí nén đưa vào gương khoan

Hình 2.4- Máy khoan tự hành CBY-100T để hạ bậc dưới

Bảng 2.2 Các đặc tính cơ bản của thiết bị khoan tự hành Các đặc tính kỹ thuật

Loại thiết bị khoan HKP-

Chiều sâu khoan tối đa (m)

1

40 65-80

0-360

-

14 2,8

1

30 65,75

0-360

-

14 0,7

Cần khoan để khoan các lỗ mìn nhỏ là các thanh thép tròn hoặc lục giác

có một lỗ nhỏ ở giữa để đưa nước vào gương khoan, làm sạch lỗ và chống bụi Trên cần khoan có gắn một mũi khoan Mũi khoan được nối với cần khoan bằng ren thô hoặc côn để dễ tháo lắp Mũi khoan có các lưỡi khoan chế tạo bằng thép hợp kim BK-6, BK-8 hoặc BK-15 chế tạo từ Carbit Volfram và Côban luyện theo phương pháp luyện bột Đầu kia của cần khoan được nối với búa khoan cũng bằng dạng côn hoặc ren thô qua một bộ nối (thường gọi là chuôi cần khoan)

Dùng khi các loại khoan tay hoặc khoan có giá đỡ co rút bằng khí nén, cần khoan thường chế tạo thành từng nhóm chiều dài khác nhau để khoan một lỗ khoan có chiều dài nhất định Một tổ hợp như thế thường có cần một khoan mồi dài 400-500mm để khoan đầu tiên Tiếp theo mỗi bước thay đổi ≤ 1500mm, đó là các cần khoan chính Trong trường hợp này chiều sâu lỗ khoan thường không lớn (≤ 3000mm)

Các mũi khoan có lưỡi khoan hợp kim thường sản xuất để khoan các lỗ khoan có đường kính từ 36-65mm Phổ biến hơn cả trong thi công hầm là mũi khoan đường kính 42mm Góc mài vát mũi khoan thường khác nhau, tùy thuộc vào các đặc trưng cơ lý của địa tầng Ví dụ mũi khoan để khoan trong

đá nứt nẻ là lưỡi dạng chữ thập, đá ít nứt nẻ thường dùng loại chữ nhất

Hình 2.5- Mũi khoan đá a) Dạng chữ nhất b) dạng chữ thập

Thiết bị bốc và vận chuyển đất đá trong thi công

 Công tác bốc đất đá trong thi công hầm

Bốc thải đất đá là một công đoạn thi công trong chu trình thi công đào hầm và nó ảnh hưởng đáng kể đến tiến độ đào hầm Trong thực tế thi công hầm ngầm người ta dùng 2 loại phương tiện bốc xúc là: Máy xúc hoạt động theo chu kỳ (như máy xúc gầu) và máy xúc hoạt động liên tục Tùy theo sơ

đồ vận chuyển mà máy xúc được sản xuất có dạng bánh lốp, bánh hơi, chạy trên ray hay chạy trên xích

Khi vận chuyển có ray ở trong các hầm tiết diện nhỏ, đôi khi tiết diện trung bình thì máy xúc chủ yếu là các loại gầu trực tiếp hoặc đổ theo từng cấp vào gòong (hình 2.6)

Nguyên tắc hoạt động của máy xúc đổ trực tiếp là gom đá vào gầu bằng chính động cơ di chuyển tác động qua bộ truyền động là trục khuỷu rồi nâng gầu qua phần trên của thân máy và đổ vào gòong kéo theo sau máy xúc

Ở những máy đổ theo từng cấp vào gòong thì thông qua bộ truyền động

đá từ gầu được lật vào một thiết bị truyền tải gắn liền lên trên hoặc sau máy rồi vào gòong

Trong những hầm có tiết diện ≤ 20m2 người ta dùng chủ yếu là máy xúc

đổ trực tiếp, còn khi tiết diện từ 21 đến 45m2 dùng chủ yếu là các máy đổ theo từng cấp Các máy loại này thường chạy bánh sắt trên ray với khổ 750

và 900mm có trang bị khí nén hoặc động cơ điện Đặc tính chủ yếu của các loại máy thường gặp như trong phụ lục 3

a) Máy xúc đổ trực tiếp trên ray ; b)Máy xúc có băng tải chạy trên ray ;

c) Máy xúc gầu; d) Máy xúc liên tục chạy trên xích

Hình 2.6- Các loại máy xúc trong hầm

Khi sử dụng các loại máy vận chuyển khung ray (ô tô, gòong tự hành…) để xúc bốc đất đá thường dùng các loại máy xúc hoạt động liên tục chạy trên xích

Các đặc tính kỹ thuật của các máy xúc hoạt động liên tục như trong phụ lục 4

Để xúc bốc và vận chuyển đất đá trong một khoảng cách ngắn (≤100m)

có thể dùng các loại máy xúc chuyển, đặc trưng các loại máy này như trong phụ lục 5

 Vận chuyển đất đá trong thi công hầm

Theo cấu tạo của thùng xe và phương pháp dỡ tải người ta phân ra các loại gòong như sau : Gòong cứng (Gòong cố định), gòong đổ theo kiểu lật, gòong đổ qua đáy,gòong đổ qua thành (mở thanh), gòong đổ qua vách đầu gòong và gòong tự đổ trong xây đựng hầm người ta thường dùng các loại gòong đổ theo kiểu lật, đổ qua vách và gòong tự đổ (hình 2.7) Đặc tính kỹ thuật chủ yếu của các loại gòong có thể tham khảo ở phụ lục 6

Việc đổ đá với những gòong cứng (gòong cố định) được thực hiện nhờ các thiết bị lật gòong đảm bảo quay gòong 1800, đặt ở bãi thải trên cầu cạn Việc dỡ tải cho những gòong đổ đá theo kiểu mở thành cũng tiến hành trên cầu cạn Việc mở thành được tiến hành nhờ một thiết bị kiểu bản lề được trang bị sẵn trên gòong

Với gòong tự đổ thì việc đỡ tải được thực hiện nhờ có trang bị cho gòong các thiết bị chuyển tải dẫn từ động cơ, biến đáy gòong thành một băng tải để chuyển đá từ gòong này sang gòong khác hoặc đổ ra bãi thải

Khi xây dựng hầm nếu dùng đường sắt để vận chuyển thì thường phải

sử dụng các loại đầu kéo dùng ắc-qui Khổ bánh xe là 750 và 900mm (hình 2.7)

a)Goòng cố định; b)Goòng đổ đá qua thành; c) Goòng có thiết bị thải đá

Hình 2.7- Các phương tiện tải đá trên đường ray

Hình 2.8- Máy điện ắc quy AMД-8 Trong ngành mỏ người ta còn dùng loại đầu kéo tiếp xúc, tuy nhiên trong xây dựng hầm thì ít dùng do chế độ an toàn đòi hỏi cao hơn

2.4 Công nghệ và thiết bị làm đường hầm toàn tiết diện (Tunnel Boring Machine – TBM)

Ngày nay, các máy móc đào hầm đã trở thành những thiết bị cơ giới được sử dụng rộng rãi trong ngành mỏ và xây dựng công trình ngầm dân dụng Các máy này chủ yếu được sử dụng để khai đào trong đá mềm đến rắn trung bình Một số máy còn có thể đào được trong đất đá cứng đến rất cứng Lĩnh vực khoan hầm đã có một lịch sử phát triển lâu đời và vào những năm cuối thế kỷ 20 công nghệ thi công hầm đã có một bước phát triển nhảy vọt khi máy khoan hầm toàn tiết diện TBM ra đời và được sử dụng rộng rãi

Hình 2.9- Máy khoan hầm TBM TBM không còn là một thiết bị đơn lẻ mà thực sự có thể ví như một công xưởng sản xuất Thiết bị TBM loại nhỏ có đường kính Ø<4.2m có tổng trọng lượng lên tới 720 tấn và có tổng chiều dài 140m Máy khoan TBM lớn nhất được chế tạo năm 2005 có đường kính lên đến 15.2m có tổng trọng lượng 4000 tấn và có tổng chiều dài 160m được sử dụng cho dự án ngầm ở Madrid (Tây Ban Nha)

Hình 2.10- Máy khoan hầm TBM M30 (Madrid, Tây Ban Nha)

Hình 2.11- Máy khoan hầm TBM cỡ lớn

Một tổ hợp thiết bị TBM bao gồm:

 Đầu cắt : Là một đĩa tròn trên đó gắn các hộp dao cắt và gầu đào, tốc

độ quay của đầu cắt thường khoảng 6-10vòng/phút Khi đĩa tròn quay, các hộp dao sẽ tiến hành cắt vụn đất đá, sau đó gầu đào sẽ múc đất đá vụn đổ vào máng trượt sau máy và đưa ra ngoài bằng thiết bị vận chuyển

 Thiết bị vận chuyển : Thông thường là hệ băng tải kết hợp xe goòng

Đất đá vụn từ máng trượt đổ vào băng tải rồi chuyển lên các xe goòng để đưa ra khỏi đường hầm