TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM, CÁC PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM Ở VIỆT NAM
Tổng quan về công trình ngầm
Công trình ngầm là không gian tự nhiên hoặc nhân tạo nằm trong lòng đất, phục vụ cho các hoạt động của con người Đặc điểm nổi bật của công trình ngầm là tận dụng không gian bên trong lòng đất, tạo ra sự tương hỗ với môi trường xung quanh trong suốt thời gian tồn tại Đôi khi, đất xung quanh đóng vai trò như lớp vỏ bảo vệ cho công trình ngầm, là phần không thể tách rời Các công trình ngầm nhân tạo được xây dựng phù hợp với nhu cầu sử dụng và hiện nay, chúng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể khi được sử dụng hợp lý.
Công trình ngầm đã có một lịch sử lâu dài trong sự phát triển của nhân loại, bắt đầu từ việc con người sử dụng và cải tạo các hang động tự nhiên để làm nơi trú ẩn Qua các thời kỳ, các công trình ngầm ngày càng được xây dựng với nhiều mục đích khác nhau Trong thời kỳ phong kiến, các đường hầm được xây dựng chủ yếu để khai thác khoáng sản, làm lăng mộ và bảo tồn di tích, với nhiều công trình nổi bật ở Trung Quốc và Ai Cập Một trong những công trình ngầm đầu tiên được ghi nhận là đường hầm Malpas, dài 155 m, xây dựng từ năm 1676 đến 1681 tại miền Nam Pháp Đường hầm Simplon, nằm giữa Valais (Thụy Sĩ) và Piemonte (Ý), là đường hầm bộ đầu tiên trên núi cao, hoàn thành vào năm 1903, đánh dấu bước tiến quan trọng trong kỹ thuật xây dựng công trình ngầm.
Cuối thế kỷ XX, kỹ thuật xây dựng hầm dưới biển đã có những bước phát triển mới với nhiều phương pháp thi công hiệu quả Năm 1984, Nhật Bản hoàn thành hầm Thanh Hàm dài 53,85 km qua eo biển Tần Hải Hiệp Đến năm 1991, Anh và Pháp hợp tác xây dựng hầm qua eo biển Manche, nối liền hai quốc gia với tổng chiều dài 50 km, trong đó 37,5 km nằm sâu khoảng 100 m dưới mặt biển.
Lịch sử xây dựng công trình ngầm ở Việt Nam bắt đầu muộn hơn so với thế giới, với dấu mốc đầu tiên là vào năm 1930 khi xây dựng đường hầm giao thông thủy Rỳ Cúc ở Anh Sơn, Nghệ An Trong thời kỳ kháng chiến chống Pháp và chống Mỹ, nhiều công trình ngầm đã được xây dựng phục vụ cho chiến tranh nhưng không được công bố rộng rãi Gần đây, việc xây dựng các đường hầm đã trở nên phổ biến và được áp dụng trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế.
Hiện trạng thi công công trình ngầm tại Việt Nam
Trong thời gian gần đây, nhiều công trình ngầm đã được xây dựng tại Việt Nam, với sự đa dạng về loại hình và quy mô, phục vụ cho các lĩnh vực như xây dựng dân dụng, công nghiệp, mỏ, thủy lợi và thủy điện Phương pháp thi công các công trình ngầm rất phong phú, tùy thuộc vào công năng sử dụng, tính chất công trình và điều kiện địa chất Một số công trình tiêu biểu bao gồm đường hầm bộ qua đèo Hải Vân dài 6.280m, rộng 10m, cho phép xe có chiều cao 7,5m đi qua, hiện là đường hầm dài và hiện đại nhất Đông Nam Á Trong lĩnh vực thủy lợi, đã có nhiều đường hầm thủy điện được xây dựng với tổng chiều dài hàng trăm km, trong đó có hầm thủy điện Đại Ninh dài 11.254m và hầm Buôn Kuốp trên sông Srêpôk gần 9km Các đường hầm trong mỏ cũng ngày càng nhiều để khai thác các vỉa than và quặng sâu dưới lòng đất, tạo ra hệ thống đường lũ dày đặc với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau Hiện tại, đường hầm Thủ Thiêm vượt sông Sài Gòn đang được xây dựng, đánh dấu sự ra đời của đường hầm vượt sông đầu tiên tại Việt Nam, mở ra một thời kỳ mới trong công tác xây dựng hầm giao thông tại đây.
Dự án tàu điện ngầm tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh đang thu hút sự chú ý lớn trong thời gian gần đây Với nhu cầu cấp thiết về việc xây dựng hệ thống đường hầm giao thông, việc phát triển hệ thống tàu điện ngầm chỉ còn là vấn đề thời gian.
Phõn loại cỏc phương phỏp ủào hầm theo nhiều cỏch khỏc nhau
Để phân loại các phương pháp ủ ao hầm, có nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào mục đích, tính chất và phương pháp phá vỡ chất hữu cơ Các phương pháp thi công hầm ủ được phân loại dựa trên những tiêu chí này.
1.3.1.1 Phương phỏp ủào thụng thường
Phương pháp ủào thụng thường được áp dụng cho hầm trong khối ủỏ ổn định, cho phép lưu khụng trong một khoảng thời gian nhất định Trong trường hợp này, các mặt lộ hông, nóc và gương hầm không cần phải chống giữ ngay sau thời điểm ủào hoặc không cần sử dụng biện pháp đặc biệt để khắc phục lượng nước chảy vào công trình ngầm Phương pháp ủào thụng có thể chia thành hai phương pháp thi công chính là ủào toàn gương và ủào chia gương.
1.3.1.2 Phương phỏp ủào ủặc biệt
Các phương pháp ủào đặc biệt được áp dụng trong thi công đường hầm trong khối đất không ổn định, như đất mềm yếu, nứt nẻ mạnh, hoặc ngậm nước lớn Những tình huống này yêu cầu biện pháp phụ trợ để ngăn ngừa nước chảy vào công trình, đặc biệt tại các khu vực có khối đất rắn cứng nhưng nứt nẻ Các phương pháp ủào này rất đa dạng, bao gồm phương pháp ủúng băng nhõn tạo trong đất yếu chứa nhiều nước, phương pháp phụt vữa hoặc thủy tinh lỏng, và phương pháp khiển ủào chống toàn gương Ngoài ra, còn có phương pháp chống trước qua đất gãy và phương pháp buồng Kột xông (Caison).
Dựa trên đặc điểm của các loại vật liệu xây dựng khi làm bê tông, nước có vai trò quan trọng trong việc tạo độ bền và tính chống thấm cao Trong quá trình thi công, nước sẽ lấp đầy các khe nứt và lỗ rỗng, giúp liên kết các hạt của vật liệu lại với nhau, từ đó nâng cao chất lượng công trình.
Phương pháp ủng băng nhõn tạo sẽ được áp dụng trong các công trình hầm chứa nhiều nước ngầm hoặc hầm có đất yếu chứa nước, cát chảy, và đất nứt nẻ mạnh chứa nước ngầm Việc thi công bằng phương pháp thông thường sẽ gặp nhiều khó khăn trong việc ngăn nước chảy vào công trình.
Các loại đất chứa nước từ 30-40% sẽ có độ bền lớn nhất khi được ủng bằng Khối đất ủng bằng sẽ bảo vệ đường hầm không bị nước chảy vào khi đào các đoạn hầm nằm trong điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn phức tạp.
Việc ủúng băng khối ủất ủỏ được thực hiện thông qua quá trình trao đổi nhiệt khi các chất làm lạnh được dẫn qua các ống đặt sẵn trong khối ủất ủỏ cần ủúng băng Phương pháp xi măng hóa là một cách hiệu quả để gia cố khối ủất ủỏ, giúp tăng cường tính ổn định và độ bền của nó.
Phương pháp xi măng hoá gia cố đất là kỹ thuật bơm vữa xi măng vào khối đất xung quanh công trình ngầm để tạo liên kết chắc chắn, tăng cường độ bền và ngăn nước chảy vào công trình Sau khi xi măng hoá đất, công tác thi công sẽ tiếp tục theo phương pháp thông thường Kỹ thuật này gia cố một phần của khối đất bằng cách đổ vữa xi măng qua các lỗ khoan vào địa tầng, với độ sâu khoan thường từ 30 – 40m và có xu hướng mở rộng theo hướng của tuyến hầm.
Việc xi măng hóa các lỗ khoan tạo ra một khối bê tông chặt, bền và có khả năng chống thấm cao hơn so với khối bê tông không được gia cố Tuy nhiên, việc tính toán các thông số hình học của công tác xi măng hóa để gia cố khối bê tông trước gương hầm chỉ mang tính tương đối, do việc xâm nhập vữa xi măng vào sâu trong khối bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố như trị số mở, hướng, đặc trưng của khe nứt, thành phần, độ đặc của vữa, áp lực bơm và các yếu tố khác.
Công tác gia cố trước khối ủa nứt nẻ trong đường hầm thường bao gồm các hoạt động như xây dựng tường phản áp bằng bờ tường có sẵn thiết bị định vị Trong trường hợp có lừi ủa ổn định hoặc lừi gia cố nhân tạo, cần khoan các lỗ khoan và lắp đặt thiết bị định vị trong các lừi này Tiếp theo, khoan các lỗ khoan phụt qua thiết bị định vị, rửa lỗ khoan phụt, thử nước và chuẩn bị khối ủa sẽ gia cố để xác định hệ số thấm và làm sạch khe nứt Cuối cùng, khoan các lỗ kiểm tra và xác định lượng tiêu hao nước đơn vị còn lại Phương pháp khiên ủa chống toàn gương cũng được áp dụng trong quá trình này.
Phương pháp khiển ủào chống toàn gương được áp dụng trong điều kiện ủào các ủường hầm có địa chất yếu, cát chảy, nơi mà đất xung quanh và trên gương hầm không tự ổn định được Do đó, việc sử dụng máy khiển ủào chống toàn gương là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình thi công.
Kết cấu cơ bản của máy khiển ủào chống toàn gương bao gồm một hệ vỏ chống lớn xung quanh ủường hầm và trước gương Người công nhân ở phía trong gương thực hiện các thao tác ủào ủất ủỏ, vận chuyển và chống cố định ủường hầm Máy khiển được di chuyển theo tốc độ của gương hầm Phương pháp hạ chìm hơi ép, còn được gọi là phương pháp buồng Két Xông, được áp dụng trong quá trình này.
Phương pháp hạ chớm hơi ộp ủược áp dụng khi thi công những đường lũ trong điều kiện nước ngầm chảy mạnh vào công trình ngầm Nội dung chủ yếu của phương pháp này là sử dụng hơi ộp để đẩy nước ra khỏi buồng thi công, giúp mặt gương hầm khô và thi công theo phương pháp bình thường Trước đây, phương pháp hạ chớm hơi ép được sử dụng tương đối nhiều, tuy nhiên, nhược điểm của nó là ảnh hưởng tới sức khỏe của công nhân trực tiếp thi công Do đó, hiện nay phương pháp này ít được áp dụng rộng rãi.
1.3.2 Theo ph ươ ng phỏp ủ ào g ươ ng h ầ m
1.3.2.1 Phương phỏp ủào toàn gương
Phương pháp ủào toàn gương được áp dụng trong điều kiện môi trường ổn định, với tiết diện gương đảm bảo yêu cầu của máy khoan, cho phép khoan toàn bộ gương hầm trong một lần Năng lực của công tác xúc bốc, vận chuyển và chống tạm cũng phù hợp với quy trình ủào hầm toàn gương.
1.3.2.2 Phương phỏp ủào chia gương
Phương pháp ủào hầm chia gương được áp dụng khi thiết bị khoan không thể khoan hết tiết diện gương hầm, đặc biệt khi áp lực trên gương hầm yếu Việc chia gương thành hai hay nhiều gương ủào là cần thiết, nhất là đối với những đường hầm có áp lực xung quanh ổn định nhưng có tiết diện gương cao hơn chiều cao hoạt động hiệu quả của máy khoan.
Phương pháp khoan nổ mìn
1.4.1 Yờu c ầ u c ủ a cụng tỏc khoan n ổ mỡn khi xõy d ự ng ủườ ng h ầ m
- Hỡnh dạng, kớch thước tiết diện ngang của ủường hầm nổ ra phải phự hợp với thiết kế, hạn chế ủến mức thấp nhất khoảng thừa tiết diện
Đất ủ nổ ra cần có kích thước hạt đồng đều, phù hợp với các thiết bị xúc bốc Không nên có hạt quá lớn, và đất ủ phải được giữ gần khu vực làm việc để tránh việc văng xa Tốt nhất là tập trung tại gương.
Núc, nền, hụng và gương hầm cần phải được làm phẳng để thuận tiện cho việc xỳc bốc và khoan trong chu kỳ tiếp theo, đồng thời nâng cao hệ số sử dụng lỗ mỡn η và hệ số thừa tiết diện.
- Giảm ủược chấn ủộng do nổ mỡn gõy ra ảnh hưởng xấu tới khối ủỏ bao quanh ủường hầm, ủảm bảo ủộ ổn ủịnh cao nhất cho ủường hầm
- An toàn, dễ dàng nhất cho những người thực hiện và ít ảnh hưởng ô nhiễm môi trường
1.4.2 Mỏy khoan l ỗ mỡn g ươ ng ủườ ng h ầ m
+ theo phương phỏp phỏ vỡ ủất ủỏ
Mỏy khoan xoay là loại mỏy khoan có chức năng xoay để phá vỡ đất ở vùng lỗ khoan Hoạt động phá vỡ chủ yếu phụ thuộc vào lực xoay của mũi khoan Loại mỏy này chỉ được sử dụng cho đất mềm với độ cứng không vượt quá 3 (fk ≤3).
Mỏy khoan ủập là loại mỏy khoan chỉ hoạt động bằng cách đập vào đất để phá vỡ đất ở lỗ khoan Đầu mũi khoan thường có dạng chữ thập hoặc một cỏnh Nhược điểm của mỏy khoan ủập là tạo ra độ ồn lớn và bụi, vì vậy nó chủ yếu được sử dụng trong khoan lộ thiên.
Mỏy khoan ủập xoay là loại mỏy khoan kết hợp giữa tác động ủập và xoay để phá vỡ ủất ủỏ tại vị trí lỗ khoan Thiết bị này hoạt động hiệu quả cao trên ủất ủỏ có độ cứng f k ≥4.
Mỏy khoan xoay ủập là thiết bị khoan có khả năng xoay và ủập đồng thời, giúp tác động hiệu quả vào đất đá để phá vỡ chúng trong quá trình khoan Thiết bị này đặc biệt hiệu quả khi sử dụng trên đất đá có độ cứng từ 4 trở lên.
+ Theo dạng năng lượng sử dụng
- Máy khoan sử dụng khí nén: ðây là loại máy khoan sử dụng khí nén ủể tạo ra tỏc ủộng cơ học lờn ủất ủỏ, tạo ra lỗ khoan
- Mỏy khoan sử dụng bằng ủiện: Là mỏy khoan sử dụng năng lượng ủiện ủể tạo ra tỏc ủộng cơ học lờn ủất ủỏ ở lỗ khoan
+ Theo phương phỏp dẫn ủộng
Máy khoan sử dụng khí nén là thiết bị tạo ra tác động cơ học lên bề mặt khoan thông qua khí nén Loại máy này thường được thiết kế đơn giản, phổ biến là máy khoan tay hoặc giàn khoan, nhưng năng suất khoan không cao.
Máy khoan sử dụng điện và dẫn động bằng thủy lực là loại máy khoan hiện đại, tự hành, hoạt động nhờ vào hệ thống bơm thủy lực Thiết bị này tạo ra dẫn động cho quá trình khoan thủy lực, mang lại hiệu suất cao trong công việc.
+ Theo phương phỏp giỏ ủỡ di chuyển
- Mỏy khoan tay: Là mỏy khoan ủơn giản di chuyển và hoạt ủồng bằng sự khuân vác của công nhân
Mỏy khoan cú giỏ ủỡ là thiết bị sử dụng giỏ ủỡ bằng khớ nộn để tăng áp lực trong quá trình khoan, giúp cải thiện hiệu quả hoạt động và tối ưu hóa quá trình khoan lỗ.
Xe khoan là một tổ hợp các máy khoan đơn giản được lắp đặt trên một xe tự di chuyển, giúp việc di chuyển và sử dụng các máy khoan trở nên dễ dàng hơn.
Xe khoan tổ hợp tự hành là thiết bị khoan hầm tiên tiến nhất hiện nay, tích hợp cơ cấu vận hành, dẫn động và khoan gương hầm trong một thể thống nhất Hiện tại, xe khoan sử dụng năng lượng điện và dẫn động bằng thủy lực, mang lại hiệu quả cao trong công việc khoan hầm.
1.4.2.2 Nh ữ ng ti ế n b ộ trong công ngh ệ khoan
Trong 25 năm qua, kỹ thuật khoan nổ đã có những bước phát triển mạnh mẽ, chuyển từ phương pháp khoan sử dụng khí nén sang khoan điện - thủy lực Trên thế giới, đã xuất hiện các loại máy khoan có năng suất cao, góp phần nâng cao hiệu quả trong ngành khoan nổ.
Sự phát triển này không chỉ giúp tăng tốc độ khoan mà còn nâng cao chất lượng công tác khoan nổ Điều này nhờ vào khả năng cải thiện nhiều vấn đề như định vị lỗ khoan, định hướng lỗ khoan theo chiều sâu và chiều dài, cũng như khả năng điều chỉnh hợp lý các thông số kỹ thuật như lực ép, mômen quay, và khả năng hạn chế tắc nghẽn Theo tài liệu tổng hợp, máy khoan thủy lực cho phép nâng cao tốc độ khoan lên 50% so với máy khoan bằng khí nén.
Máy tính trở thành công cụ hỗ trợ đắc lực cho người công nhân Nhờ khả năng ghi nhận mọi thông số liên quan đến hoạt động của máy khoan, cũng như dữ liệu về điều kiện khối đất được khoan, thiết bị này cho phép điều chỉnh các thông số một cách hợp lý và đặc biệt đảm bảo độ chính xác.
Mọi thông số liên quan đến sơ đồ lỗ khoan (hay hộ chiếu lỗ khoan) đều được lưu trữ trong máy tính Tuy nhiên, chất lượng khoan thực tế vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm và trình độ của người thợ điều khiển máy khoan.
1.4.2.3 L ự a ch ọ n mỏy khoan s ử d ụ ng trong giai ủ o ạ n hi ệ n nay
Phương phỏp ủào hầm bằng cỏc loại mỏy ủào hầm
1.5.1 Mỏy ủ ào h ầ m thụng th ườ ng
Máy đào hầm thường được sử dụng là máy đào dạng gàu xúc ngược, thích hợp cho các đường hầm có độ sâu nhỏ Máy xúc hoạt động trên mặt đất, xúc đất vào phương tiện vận chuyển Khi độ sâu hố đào đạt giá trị thiết kế, tiến hành xây dựng công trình ngầm Việc xây dựng công trình ngầm có thể thực hiện bằng phương pháp lắp ghép từng đoạn hầm được sẵn hoặc thi công tại chỗ.
Trong xây dựng hầm trong đất mềm yếu, có thể sử dụng máy đào xúc để làm việc tại gương hầm và vận chuyển đất lên bề mặt Phương pháp này chỉ áp dụng khi điều kiện thi công thuận lợi, như khi thi công ngầm bằng phương pháp lộ thiên hoặc trong những hầm có địa chất phù hợp, với hệ số kiên cố của đất tương đối nhỏ.
1.5.2 Mỏy ủ ào h ầ m liờn h ợ p (Cụm –bai)
Mỏy ủào hầm liờn hợp (cụm –bai) là tổ hợp mỏy ủào cắt ủất ủỏ kết hợp với xỳc bốc chuyển ủất ủỏ ra phớa sau và ủổ lờn phương tiện vận chuyển Cụm – bai bao gồm các thiết bị hoạt động liên tục trong gương hầm, giúp tăng hiệu quả khai thác Công tác ủào hầm diễn ra trong vựng ủịa chất biến thiờn với khoảng rộng từ nửa cứng đến cứng, có độ bền lên tới 200Mpa.
Việc sử dụng máy ủào hầm liền hợp (cụm-bai) để ủào các đường hầm dọc vỉa, than và quặng đã được các nước tiên tiến áp dụng từ lâu Côm bai được công nhận là phương tiện ủào hầm hiệu quả, tiên tiến và kinh tế nhất Phương pháp này cho phép cơ giới hóa hoàn toàn quá trình cắt phỏ ủất, khoáng sản và xỳc bốc chúng.
Trước đây, một số mỏ than hầm lũ vựng Quảng Ninh đã sử dụng máy Cụm-bai PK-3 của Liên Xô cũ để khai thác các đường lò cỏ dọc vỉa than Tuy nhiên, do cấu tạo địa chất phức tạp, việc sử dụng máy khai thác hầm Cụm-bai chưa mang lại hiệu quả cao Hiện nay, mỏ than ở Quảng Ninh đã áp dụng máy liên hợp AMZ 45-50 trong nhiều năm để khai thác các đường hầm dọc vỉa than trong phạm vi fk≤5.
1.5.2.2 Cụng nghệ ủào lũ bằng mỏy liờn hợp
Máy đào hầm liên hợp (Cụm-bai) được sử dụng phổ biến trong ngành khai thác mỏ nhờ vào những ưu điểm vượt trội mà các phương pháp khai thác khác không thể đạt được Tuy nhiên, có nhiều khâu công nghệ ảnh hưởng đến sự ngưng trệ của máy đào hầm, trong đó các khâu công nghệ như vận chuyển, xúc bốc và chống hầm là những yếu tố quan trọng nhất.
1.5.3 Mỏy ủào hầm toàn gương TBM
Vào những năm 1930, một số quốc gia tiên tiến đã bắt đầu sử dụng máy đào hầm Sự phát triển của công nghệ máy đào và tính năng ngày càng hoàn thiện đã thúc đẩy việc ứng dụng máy đào hầm trong xây dựng hiện đại Nhờ vào tiến bộ nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, việc áp dụng máy đào hầm ngày càng trở nên phổ biến hơn.
So với phương pháp thi công hầm bằng khoan nổ mìn, thi công hầm bằng máy khoan toàn tiết diện (TBM) có tính liên tục và công nghiệp hóa cao hơn Trong quá trình phát triển của máy khoan hầm toàn tiết diện, máy không chỉ có khả năng thi công trong điều kiện địa chất cứng rắn, ổn định mà còn có thể thi công trong điều kiện địa chất không ổn định Vì vậy, máy thi công toàn tiết diện được lựa chọn trong nhiều trường hợp thi công đường hầm và công trình ngầm.
Khi thi công bằng máy đào toàn tiết diện (TBM), phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm so với khoan nổ mìn truyền thống, như tốc độ thi công hầm nhanh, thi công liên tục, cơ giới hóa cao, và đảm bảo an toàn hơn Phương pháp này giảm tác động đến khối đất xung quanh công trình ngầm, cải thiện chất lượng chống thấm của vỏ hầm, tạo điều kiện thông gió tốt, giảm thiểu hầm phụ và ngách tránh xe, đồng thời giảm hệ số thừa tiết diện đến mức tối thiểu Tuy nhiên, việc sử dụng máy đào TBM cũng gặp phải một số hạn chế, bao gồm yêu cầu đầu tư ban đầu lớn, không thể thay đổi kích thước đường hầm và mỗi loại máy chỉ phù hợp với một điều kiện địa chất nhất định Để đảm bảo hiệu quả kinh tế, kích thước đường hầm cần phải được xác định chính xác ngay từ đầu.
1.5.3.3 Cỏc loại mỏy ủào toàn tiết diện
Mỏy ủào hầm toàn tiết diện được chia thành hai loại chính: mỏy ủào toàn mặt cắt và mỏy ủào càng treo Trong đó, mỏy ủào toàn mặt cắt (Tunel Boring Machine - TBM) lại được phân thành hai loại: mui trần và khiên bảo vệ Loại khiên bảo vệ tiếp tục được chia thành khiên ủơn và khiên ủụi Hiện nay, loại mỏy ủào toàn tiết diện đang được sử dụng chủ yếu.
Máy ủào mui trần phù hợp với ủào trong ủỏ rắn cứng, khác biệt với máy ủào có khiển bảo vệ ở chỗ máy ủào mui trần dựa vào phản lực để tiến lờn, trong khi máy ủào có khiển bảo vệ tạo lực đẩy từ các ủốt ống bờ tụng đã lắp sẵn Máy ủào có khiển bảo vệ thích hợp với vị trí có ủất ủỏ yếu và khả năng sụt lở, tự ổn định nhanh chóng Khi lắp các ủốt hầm bằng bờ tụng, máy ủào có khiển bảo vệ cần thực hiện theo trình tự nối tiếp công việc Trong quá trình ủào hầm, bộ phận phía sau phải tựa vào vỏ hầm đã lắp ghép sẵn để tiến lên, và sau khi dừng, máy sẽ lắp vỏ hầm vào vị trí đã được thiết kế sẵn.
So sánh phương pháp thi công bằng máy TBM và thi công bằng phương pháp khoan nổ mìn
bằng phương pháp khoan nổ mìn
Hai phương pháp thi công hầm là khoan toàn tiết diện và khoan nổ mỡn, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng Cả hai phương pháp này mang lại những lợi thế nhất định, và có thể so sánh dựa trên các chỉ tiêu khác nhau.
Chỉ tiêu so sánh Phương pháp thi công bằng máy khoan toàn tiết diện
Thi công bằng phương pháp khoan nổ mìn ðiều kiện ủịa chất áp dụng
Cú thể ỏp dụng ủược từ ủất ủỏ mềm yếu tới rắn chắc
Mỗi loại mỏ có điều kiện áp dụng riêng, với hiệu quả cao khi áp dụng cho vật liệu có độ cứng từ fk ≥ 2 Đối với vật liệu mềm yếu, khi fk ≤ 2, không nên sử dụng phương pháp khoan nổ mìn.
Tiết diện gương ủào ủường hầm
Tiết diện tròn, với mỗi loại máy chỉ ỏp dụng với một ủường hầm cú tiết diện nhất ủịnh
Tiết diện bất kỳ, hình dạng gương hầm bất kỳ ủều cú thể thi cụng ủược
Nên áp dụng khi chiều dài ủường hầm ≥ 2km Áp dụng khi ủường hầm có chiều dài bất kỳ ðộ ngoặt ủường hầm
Thi cụng những ủường hầm thẳng hoặc ủường hầm cú ủộ
Thi cụng ủường hầm cú ủộ cong vòng bất kỳ ngoặt thấp Tốc ủộ ủào ủường hầm
Tốc ủộ lớn hơn tốc ủộ ủào hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn
Tốc ủộ ủào hầm bộ ðầu tư ban ủầu ðầu tư ban ủầu lớn ðầu tư ban ủầu bộ
Chi phí thi công trong quá trình thi công
Thông thường chi phí bé hơn phương pháp khoan nổ mìn
Chi phí của phương pháp NATM thường cao hơn, nhưng độ ổn định của hầm được thi công bằng phương pháp này lại tốt hơn so với phương pháp khoan nổ mìn Điều này là do quá trình thi công của NATM tác động ít hơn đến khối đất xung quanh, giúp duy trì sự ổn định của hầm trong suốt quá trình xây dựng.
Chi phí chống cố ủinh
Chi phí chống cố ủịnh thấp hơn so với phương pháp khoan nổ mìn, do không cần hệ số thừa tiết diện Việc ổn định ủất ủỏ xung quanh ủường hầm giúp giảm chiều dày vỏ chống cố ủịnh.
Chống phớ cần phải đảm bảo sự ổn định lớn hơn so với phương pháp đào toàn tiết diện, do hệ số thừa tiết diện và áp lực xung quanh đường hầm không ổn định Do đó, cần tăng chiều dày vỏ chống để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình thi công.
Trỡnh ủộ thi cụng Cụng nhõn vận hành ủũi hỏi trỡnh ủộ cao
Công nhân thi công cần đảm bảo độ ổn định của đường hầm để hạn chế ảnh hưởng đến đất đai xung quanh Một đường hầm ổn định sẽ giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh, trong khi đường hầm không ổn định có thể gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng.
An toàn lao ủộng Thi cụng an toàn hơn phương pháp KNM cho người và trang thiết bị
Không an toàn bằng phương phát TBM
Bảo vệ môi trường tốt hơn phương pháp KNM Ô nhiễm môi trường do khí thải thuốc nổ, bụi nổ
Dựa vào bảng so sánh các chỉ tiêu, ta thấy rằng phương pháp thi công bằng máy khoan toàn tiết diện và phương pháp khoan nổ mìn có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau Do đó, việc lựa chọn giữa hai phương pháp này cần được phân tích và đánh giá kỹ lưỡng để đưa ra phương pháp thi công phù hợp nhất.
Những vấn ủề cần giải quyết nảy sinh trong quỏ trỡnh xõy dựng ủường hầm ở Việt Nam
dựng ủường hầm ở Việt Nam
1.7.1 L ự a ch ọ n ph ươ ng pháp thi công
Việc chọn phương pháp thi công là một vấn đề phức tạp trong thiết kế công trình ngầm, đòi hỏi kỹ sư phải xem xét nhiều phương án cụ thể Để đưa ra quyết định, người thiết kế cần căn cứ vào các yếu tố quan trọng như tính khả thi, chi phí, và thời gian thi công.
Quy mô công trình hầm, bao gồm chiều dài và tiết diện gương hầm, là yếu tố quan trọng để người thiết kế lựa chọn phương án thi công Chiều dài hầm quyết định khả năng thi công bằng phương pháp khoan nổ mìn hay sử dụng máy đào Đối với những hầm dài hơn 2km, thi công bằng máy đào mang lại lợi thế, và càng dài thì áp dụng máy đào toàn tiết diện càng hiệu quả về kinh tế Tiết diện gương hầm cho phép sử dụng sơ đồ đào nối tiếp hoặc song song, cùng với các trang thiết bị hỗ trợ thi công Đối với hầm có tiết diện quá lớn, cần phải áp dụng phương pháp thi công chia gương, cho phép tổ chức thi công song song giữa gương trên và gương dưới.
Điều kiện địa chất và thủy văn trong thi công hầm bao gồm độ cứng của đất, khả năng tự ổn định sau khi khai thác, và điều kiện nước ngầm Độ cứng của đất là yếu tố quan trọng hàng đầu trong việc lựa chọn trang thiết bị thi công, bao gồm thiết bị khoan nổ mìn, thiết bị xúc bốc, vận tải, và thiết bị chống tạm Đối với những hầm có độ cứng đất lớn hơn 2, phương pháp khoan nổ mìn thường mang lại hiệu quả cao hơn Những hầm có độ cứng nhỏ hơn 2 có thể sử dụng máy đào để thi công trực tiếp Khi đất xung quanh hầm có độ cứng lớn, thi công bằng máy đào sẽ tác động ít hơn tới biên cục trình, giúp tăng cường sự ổn định cho hầm Các hầm với độ cứng đất khác nhau cũng cần lựa chọn trang thiết bị khoan nổ mìn phù hợp.
Khi thiết kế phương án thi công, kỹ sư cần hiểu rõ các loại vật tư, vật liệu và trang thiết bị có sẵn trên thị trường để đảm bảo khả năng cung cấp cho công tác thi công hầm Mặc dù có nhiều thiết bị tiên tiến, nhưng nếu không có sẵn tại Việt Nam, việc lựa chọn thiết bị phù hợp sẽ gặp khó khăn và cần thay thế bằng thiết bị khác Do đó, người thiết kế thường ưu tiên sử dụng các trang thiết bị có sẵn, phù hợp với điều kiện cung ứng của thị trường Việt Nam.
Khả năng đầu tư tài chính của chủ đầu tư đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định phương án thi công đường hầm Chủ đầu tư sẽ lựa chọn phương pháp thi công phù hợp nhất dựa trên khả năng tài chính của mình và sự tư vấn từ các công ty, tổ chức chuyên môn Ví dụ, đối với các đường hầm dài, chủ đầu tư có thể chọn giữa phương pháp khoan nổ mìn hoặc sử dụng máy đào toàn diện Nếu đầu tư ban đầu bằng máy đào toàn diện, cần một khoản tiền lớn nhưng chi phí thi công sau đó sẽ không cao Ngược lại, phương pháp khoan nổ mìn yêu cầu đầu tư ban đầu ít hơn nhưng chi phí thi công có thể lớn do thời gian thi công kéo dài Thông thường, tốc độ đào của máy đào toàn diện nhanh hơn so với phương pháp khoan nổ mìn, dẫn đến lợi nhuận cao hơn cho chủ đầu tư.
Việc chọn phương pháp thi công cần dựa vào nhiều yếu tố và yêu cầu người thiết kế phải có kiến thức tổng quát về xây dựng công trình ngầm cũng như đánh giá khả năng sử dụng trang thiết bị của chủ đầu tư Thông thường, sự lựa chọn phương pháp thi công còn phụ thuộc vào yếu tố chủ quan của người thiết kế và người thi công Tuy nhiên, việc tìm ra phương pháp tối ưu là một thách thức lớn do những hạn chế về kiến thức, thời gian và ngân sách.
1.7.2 ðiều kiện lựa chọn trang thiết bị thi công
Lựa chọn thiết bị trong thi công bằng phương pháp khoan nổ mìn
Thiết bị thi công trong phương pháp khoan nổ mỏ rất đa dạng về chủng loại và phong phú về phương pháp sử dụng Các thiết bị này có thể được phân loại dựa trên công năng sử dụng và khả năng cơ giới hóa Trong số các nhóm thiết bị chủ yếu được sử dụng khi thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mỏ, bao gồm: thiết bị khoan hầm, thiết bị xúc bốc, thiết bị vận chuyển và thiết bị chống tạm.
1.7.2.1 Lựa chọn thiết bị khoan hầm
Công tác khoan hầm là một quy trình phức tạp, đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thành và tiến độ của dự án Việc khoan lỗ mỏ được thực hiện bằng máy khoan thủ công hoặc máy khoan hiện đại, sử dụng hệ thống dẫn động thủy lực với tốc độ khoan cao Các thiết bị khoan hầm có thể được phân loại thành hai loại chính dựa trên hình thức dẫn động: máy khoan sử dụng khí nén và máy khoan sử dụng thủy lực.
Máy khoan dẫn động bằng khí nén là loại máy có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng và an toàn Tuy nhiên, việc cung cấp khí nén lại khá phức tạp, yêu cầu phải có máy nén khí và hệ thống ống dẫn, điều này làm giảm hiệu suất sử dụng máy, tiêu hao năng lượng nhiều và tốc độ khoan chậm.
Bỳa khoan cú tay là thiết bị dùng để khoan các lỗ khoan thẳng hoặc nghiêng lớn (≤60 độ) với độ sâu lên đến 4m, thường được sử dụng trong việc khoan neo gia cố núc hầm Loại máy khoan này thường được gắn trên một tổ hợp gọn hoặc xe mang khớ nộn, giúp quá trình khoan trở nên đơn giản và hiệu quả hơn.
Bỳa khoan dạng cột được sử dụng cho các thiết bị chuyên dụng với trọng lượng lớn (lên đến 150kg) và lực nén dọc trục cao, đạt tới 12kN Loại bỳa này rất phổ biến trong thi công các công trình ngầm có tiết diện lớn như gian máy và các buồng ngầm.
Hệ thống truyền động chính trong các bệ khoan cột hiện nay thường là hệ Vớtme hoặc xích kết hợp với một số hộp động cơ và hộp số đơn giản Bệ khoan cột cứng kết hợp với hệ truyền động tạo thành một hệ thống gọi là giàn khoan Hiện nay, các giàn khoan thường được gắn trên xe bánh xích hoặc lốp, tạo thành các máy khoan tự hành, với số lượng giàn khoan gắn trên xe có thể lên đến 2, 3 hoặc 5.
Mỏy khoan thủy lực là thiết bị sử dụng năng lượng điện để điều khiển bơm cao áp dầu, qua đó biến đổi dòng dầu, tạo ra chuyển động tịnh tiến nhằm thực hiện tác dụng xung kích.
So sỏnh mỏy khoan thủy lực và mỏy khoan hoạt ủộng bằng khớ nộn thỡ mỏy khoan thủy lực cú những ưu ủiểm sau:
Tiêu hao năng lượng của máy khoan thủy lực chỉ bằng 1/3 đến 1/2 so với máy khoan khí nén, cho thấy hiệu suất hoạt động cao hơn đáng kể Tỷ suất sử dụng năng lượng của máy khoan thủy lực đạt từ 30% đến 40%, trong khi máy khoan khí nén chỉ đạt khoảng 15%.
Máy khoan thủy lực có tốc độ khoan nhanh hơn 50% đến 150% so với máy khoan chạy bằng khớp nối Đặc biệt, tốc độ khoan trong đá hoa cương của máy khoan thủy lực có thể đạt từ 200cm đến 300cm/phút.
Giới hạn ủề tài thực hiện
Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng các công nghệ trong thi công các công trình hầm nằm ngang, đặc biệt là trong điều kiện địa chất cứng Phương pháp thi công được xem xét chủ yếu là khoan nổ mìn NATM, với mục tiêu đảm bảo an toàn cho các hầm có tiết diện toàn vẹn.