Nghiên cứu lựa chọn máy đào hầm cùng các phụ kiện đi kèm khi thi công công trình ngầm tiết diện nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

NGÔ ĐỨC HIẾU

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MÁY ĐÀO HẦM
CÙNG CÁC PHỤ KIỆN ĐI KÈM KHI THI CƠNG CƠNG TRÌNH
NGẦM TIẾT DIỆN NHỎ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

NGÔ ĐỨC HIẾU

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MÁY ĐÀO HẦM
CÙNG CÁC PHỤ KIỆN ĐI KÈM KHI THI CƠNG CƠNG TRÌNH
NGẦM TIẾT DIỆN NHỎ
Ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình ngầm
Mã số: 8580204

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Đặng Trung Thành

Hà Nội – 2018

-1-

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 23 tháng 10 năm 2018
Tác giả

Ngô Đức Hiếu


-2-

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 1
MỤC LỤC ......................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ 6
DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA ........................................................... 7
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 9
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 9
2. Mục tiêu của luận văn ................................................................................... 9
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................... 10
4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 10
5. Các phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn................................ 10
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ....................................... 11
7. Kết cấu của luận văn ................................................................................... 12

8. Lời cảm ơn .................................................................................................. 12
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THI CƠNG CƠNG TRÌNH NGẦM BẰNG
MÁY ĐÀO HẦM LOẠI NHỎ ....................................................................... 13
1.1. Khái niệm và phân loại cơng trình ngầm: ................................................ 13
1.1.1. Khái niệm chung: .................................................................................. 13
1.1.2. Phân loại cơng trình ngầm: ................................................................... 13
1.2. Các biện pháp thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ: ........................... 14
1.2.1. Thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ bằng phƣơng pháp thông
thƣờng (phƣơng pháp truyền thống): .............................................................. 15
1.2.2. Thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ bằng máy móc thiết bị ........... 15
1.3. Nhận xét chƣơng 1 ................................................................................... 38


-3-

CHƢƠNG 2: CÁC SỰ CỐ KHI THI CƠNG CƠNG TRÌNH NGẦM BẰNG
MÁY ĐÀO HẦM LOẠI NHỎ ....................................................................... 40
2.1. Tổng quan các sự cố thi cơng cơng trình ngầm bằng máy đào hầm loại
nhỏ ................................................................................................................... 40
2.2. Các sự cố xảy ra khi thi cơng cơng trình ngầm bằng máy đào hầm loại
nhỏ trên thế giới .............................................................................................. 44
2.2.1. Sự cố cơng trình hệ thống nƣớc thải tại Anzali, Iran, 2008 [16] .......... 44
2.2.3. Sự cố cơng trình xử lý nƣớc thải nhà tắm công cộng Oahu, Hawaii, Mỹ,
1996 ................................................................................................................. 51
2.2.4. Sự cố ở cơng trình Duwamish quận King, WA. ................................... 53
2.3. Các sự cố xảy ra khi thi cơng cơng trình ngầm bằng máy đào hầm loại
nhỏ ở Việt Nam ............................................................................................... 54
2.3.1. Sự cố tại cơng trình vệ sinh mơi trƣờng Nhiêu Lộc-Thị Nghè, TP. Hồ
Chí Minh ......................................................................................................... 56
2.3.2. Sự cố 1 chìm MĐHLN tại trạm bơm .................................................... 59

2.3.3. Chìm MĐHLN tại giếng (S32) ............................................................. 60
2.3.4. Chìm MĐHLN giữa sơng Sài Gịn ....................................................... 63
2.4. Nhận xét chƣơng 2 ................................................................................... 64
CHƢƠNG 3: TỔNG HỢP, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ NGUYÊN NHÂN
XẢY RA SỰ CỐ ............................................................................................. 66
3.1. Tổng hợp các dạng sự cố, nguyên nhân sự cố khi thi cơng cơng trình
ngầm bằng máy đào hầm loại nhỏ .................................................................. 66
3.2. Nguyên nhân gây sự cố máy đào hầm ..................................................... 68
3.2.1. Ma sát .................................................................................................... 69
3.2.2. Độ bám dính của đất ............................................................................. 71
3.2.3. Tính mài mịn của đất............................................................................ 72
3.2.4. Khối đá có kích thƣớc lớn và có chƣớng ngại vật ................................ 73


-4-

3.3. Nguyên nhân gây hƣ hại ống kích ........................................................... 74
3.4. Nguyên nhân gây ra các sự cố tại gƣơng hầm ......................................... 75
3.4.1. Lún bề mặt............................................................................................. 75
3.4.2. Mất ổn định, mất cân bằng áp lực trên bề mặt gƣơng hầm................... 76
3.5. Nhận xét chƣơng 3 ................................................................................... 76
CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT LỰA CHỌN CÁC LOẠI MÁY ĐÀO HẦM LOẠI
NHỎ VÀ CÁC PHỤ KIỆN ĐI KÈM KHI THI CƠNG CƠNG TRÌNH
NGẦM TIẾT DIỆN NHỎ ............................................................................... 78
4.1. Đặt vấn đề................................................................................................. 79
4.2. Lựa chọn MĐHLN. .................................................................................. 81
4.3. Lựa chọn phụ kiện đi kèm........................................................................ 82
4.4. Đầu cắt: Độ mở, phƣơng tiện phá vỡ đất đá. ........................................... 83
4.5. Khe hở kỹ thuật ........................................................................................ 87
4.6. Hệ thống nghiền ....................................................................................... 88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 90
1. Kết luận: ...................................................................................................... 90
2. Kiến nghị: .................................................................................................... 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 92


-5-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ viết đầy đủ

MĐHLN

Máy đào hầm loại nhỏ

CTN

Cơng trình ngầm

MĐH

Máy đào hầm

TBM

Tunnel boring machine

MTBM

Microtunnel boring machine


-6-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.2. Bảng tổng hợp ƣu nhƣợc điểm của MĐHLN sử dụng hệ thống vận
......................................................................................................................... 30
chuyển đất đá thải bằng khí nén ...................................................................... 30
Bảng 1.3. Bảng tổng hợp ƣu nhƣợc điểm của MĐHLN sử dụng hệ thống vận
......................................................................................................................... 30
Bảng 1.4. Lựa chọn cơng nghệ theo đƣờng kính cơng trình ngầm ................. 32
Bảng 1.5. Bảng phân loại khả năng áp dụng của MĐHLN với các loại đất đá
[14] .................................................................................................................. 33
Bảng 2.1. Các dạng sự cố và nguyên nhân sự cố khi thi cơng cơng trình ngầm
bằng MĐHLN ................................................................................................. 42
Bảng 2.2. Thống kê một số cơng trình thi cơng bằng MĐHLN ở thành phố Hồ
Chí Minh [5] .................................................................................................... 55
Bảng 4.1. Lựa chọn MĐHLN căn cứ vào điều đất đá [14]. ............................ 82
Bảng 4.2. Hƣớng dẫn lựa chọn một số trang thiết bị đi kèm MĐHLN [14]... 84


-7-

DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1. Tổng quan hệ thống máy đào hầm loại nhỏ [15] ............................ 18
Hình 1.2. Giếng thi cơng [12] ......................................................................... 19
Hình 1.3. Giếng nhận [12]............................................................................... 20
Hình 1.4. Máy đào hầm loại nhỏ [12] ............................................................. 22

Hình 1.5. Cấu tạo bên trong máy đào hầm loại nhỏ [12] ................................ 23
Hình 1.6. Phân loại máy đào hầm loại nhỏ [14] ............................................. 23
Hình 1.7. Mơ hình MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển ........................... 24
đất đá thải bằng cơ học [21] ............................................................................ 24
Hình 1.8. Mơ hình đầu cắt của MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá
thải bằng cơ học [21] ....................................................................................... 25
Hình 1.9. Mơ hình MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển ........................... 27
Hình 1.10. Cấu tạo các loại đầu cắt [12] ......................................................... 28
Hình 1.11. Đầu cắt hình nón thi cơng trong đất dính [12] .............................. 28
Hình 1.12. Mơ hình MĐHLN sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải ....... 29
bằng khí nén [21]............................................................................................. 29
Hình 1.13. Mơ hình hoạt động của MĐHLN [22] .......................................... 37
Hình 1.14. Quy trình kích đẩy một chu kỳ ống kích [4] ................................. 38
Hình 2.1. Thời gian (a) và các loại sự cố (b) thƣờng xảy ra khi thi cơng cơng
trình ngầm bằng MĐHLN [7] ......................................................................... 42
Hình 2.2. Chi tiết ống kích bê tơng cốt thép D600 mm [16] .......................... 45
Hình 2.3. Chi tiết vị trí nối hai ống kích [16] ................................................. 45
Hình 2.4. Cơ chế mất ổn định và sự cố trên bề mặt cơng trình [16] ............... 46
Hình 2.5. Hiệu ứng nƣớc ngầm trong ống kích [16]....................................... 47
Hình 2.6. Vị trí các đoạn thi cơng của dự án trạm bơm [17] .......................... 48
Hình 2.7. Biểu đồ độ lệch trục trong và sau thi công của đoạn thứ 5 [17] ..... 49
Hình 2.8. Địa chất tại trạm thứ 5 [17] ............................................................. 50


-8-

Hình 2.9. Tuyến xây dựng cơng trình [10] ..................................................... 51
Hình 2.10. Sửa đổi các cánh và bịt lối vào của máy đào hầm [10] ................ 53
Hình 2.11. Sụt lở vỉa hè khi thi cơng [10]....................................................... 54
Hình 2.12. Lƣu vực thốt nƣớc của dự án [1] ................................................. 56

Hình 2.13: Mặt bằng tổng thể bố trí giếng [1] ................................................ 57
Hình 2.13: Vị trí các sự cố chìm đầu kích [5] ................................................. 58
Hình 2.15. Sự cố phải đào hở để cứu MTBM [3] ........................................... 59
Hình 2.16. Mơ phỏng sụt lún tại giếng S32 [5] .............................................. 61
Hình 2.17. Đất xung quanh khu dân cƣ bị sụt lún [30] ................................... 62
Hình 2.18. Đất xung quanh giếng bị lún sụt [3].............................................. 62
Hình 2.19. Mơ phỏng sự cố S32 [2] ................................................................ 63
Hinh 2.20. Mô phỏng khi xảy ra sự có S32 [2]............................................... 63
Hình 3.1. Sơ đồ ngun nhân sự cố khi thi cơng cơng trình ngầm bằng máy
đào hầm loại nhỏ ............................................................................................. 68
Hình 3.2. Cơng trình ngầm có tuyến cong [13] .............................................. 70
Hình 3.3. Q trình vận chuyển đất đá thải lên mặt đất đối với ..................... 71
Hình 3.4. Đất có độ bám dính cao gây cản trở hoạt động của ........................ 72
Hình 3.5. Các chƣớng ngại vật tìm thấy trong sự cố cơng trình vệ sinh mơi . 73
Hình 3.6. Sự tập trung ứng suất lên ống kích trong q trình kích đẩy [7] .... 74
Hình 4.1 Điều kiện áp dụng các loại đầu cắt của MĐHLN [15]. ................... 86
Hình 4.2 Cơng cụ cắt dạng đột ........................................................................ 87
Hình 4.3. Khe hở kỹ thuật ............................................................................... 88
Hình 4.4 Hệ thống nghiền trong máy đào hầm loại nhỏ [19] ......................... 89


-9-

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Những năm gần đây, tình trạng ngập lụt sau mỗi cơn mƣa ngày càng
trở nên phổ biến tại các thành phố lớn đặc biệt là Hà Nội và TP. Hồ Chí
Minh. Do đó, việc xây dựng hệ thống cấp thốt nƣớc có thể đáp ứng đƣợc
việc tiêu thoát nƣớc trong các khu vực nội đô sau mỗi cơn mƣa là điều hết sức
cấp thiết. Trên thế giới, sử dụng máy đào hầm loại nhỏ (MĐHLN) để thi cơng

các hệ thống cấp thốt nƣớc đã và đang đƣợc áp dụng rộng rãi. Thi công cơng
trình ngầm (CTN) bằng MĐHLN đem lại nhiều lợi ích: tăng tốc độ thi cơng,
cơng trình đƣợc hồn thiện với chất lƣợng cao. Tuy nhiên bên cạnh những
thành cơng thì nguy cơ xảy ra sự cố dẫn tới tăng giá thành, chậm đƣa cơng
trình vào sử dụng, vận hành là dễ xảy ra. Kinh nghiệm trên thế giới cũng nhƣ
ở Việt Nam chỉ ra rằng sự cố do lựa chọn khơng đúng các máy móc thiết bị
phục vụ thi cơng nhƣ: máy đào hầm hay các phụ kiện đi kèm thƣờng gây ra
hậu quả rất lớn.
Chính vì vậy, việc tìm hiểu nguyên nhân, lý giải các nguyên nhân dẫn
đến sự cố từ đó đƣa ra giải pháp lựa chọn máy đào hầm và các phụ kiện đi
kèm phù hợp là hết sức cần thiết, giúp nâng cao hiệu quả đầu tƣ, phòng ngừa
sự cố kỹ thuật và quản lý tốt chất lƣợng, an tồn lao động khi thi cơng cơng
trình ngầm.
2. Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu các nguyên nhân, các yếu tố ảnh hƣởng
của máy đào hầm và các phụ kiện đi kèm; Nêu một số nguyên tắc cơ bản lựa
chọn máy đào hầm cũng nhƣ một số phụ kiện đi kèm với mục đích lƣu ý với
các nhà quản lý, thiết kế và các nhà thầu thi công các CTN tiết diện nhỏ ở
Việt Nam sắp tới có sử dụng MĐHLN có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo
để lựa chọn đƣợc máy đào hầm và phụ kiện đi kèm phù hợp nhằm tránh đƣợc


- 10 -

những rủi ro khơng đáng có có thể thể xảy ra trong q trình thi cơng.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là: “Nghiên cứu lựa chọn máy đào
hầm loại nhỏ cùng các phụ kiện đi kèm khi thi công công trình ngầm với từng
điều kiện khác nhau”.
Phạm vi nghiên cứu của luận văn: Nghiên cứu các sự cố khi thi cơng

cơng trình ngầm bằng MĐHLN từ đó tìm hiểu các nguyên nhân, các yếu tố
ảnh hƣởng của máy đào hầm và các phụ kiện đi kèm để đề suất lựa chọn đƣợc
máy đào hầm và phụ kiện đi kèm phù hợp; Áp dụng với điều kiện, đặc điểm
về địa chất tại các thành phố lớn đặc biệt là Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh
4. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu, phân tích ảnh hƣởng của sự cố đến tốc độ thi cơng cơng
trình ngầm;
- Nghiên cứu, phân tích các sự cố thƣờng xảy ra khi thi cơng cơng trình
ngầm bằng máy đào hầm loại nhỏ;
- Tìm hiểu và nguyên cứu các nguyên nhân gây ra các sự cố khi lựa
chọn máy đào hầm và phụ kiện đi kèm khi thi cơng cơng trình ngầm tiết diện
nhỏ;
- Ngun cứu các loại máy đào hầm và phụ kiện đi kèm khi thi cơng
cơng trình ngầm tiết diện nhỏ đối với từng điều kiện khác nhau.
5. Các phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn
Luận văn sử dụng tổng hợp các phƣơng pháp nghiên cứu khoa học:
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: tìm hiểu các tài liệu, các giáo trình
bằng tiếng Việt, tiếng nƣớc ngồi về sự cố cơng trình ngầm, lựa chọn máy
đào hầm khi thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ, các thuyết minh cơng
trình, bài báo hoa học, các đề tài nghiên cứu khoa học...; Đề tài sử dụng các
phƣơng pháp nghiên cứu:


- 11 -

- Các phƣơng pháp nghiên cứu thực tiễn: khảo sát, thống kê, thu thập số
liệu từ cơng trình thi cơng thực tiễn xây dựng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ
tại Việt Nam và trên thế giới;
- Phƣơng pháp so sánh, phƣơng pháp phân tích, phƣơng pháp tổng hợp
và xử lý số liệu.

6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Với tốc độ phát triển và đơ thị hóa hiện nay ở nƣớc ta, việc sử dụng các
khơng gian ngầm, các cơng trình ngầm đƣợc các nhà chun mơn và chính
quyền các đơ thị lớn đặc biệt quan tâm. Việc hạ ngầm các cơ sở hạ tầng, các
đƣờng hầm cho ngƣời đi bộ, các đƣờng hầm giao thông tại các nút giao thông,
hệ thống tàu điện ngầm trong đơ thị đóng vai trị hết sức quan trọng cho sự
phát triển bền vững đô thị. Đề tài luận văn nghiên cứu với ý nghĩa khoa học
cũng nhƣ ý nghĩa thực tiễn cụ thể nhƣ sau:
- Ý nghĩa khoa học: Đề tài sẽ khái quát đƣợc các sự cố khi thi cơng
cơng trình ngầm tiết diện nhỏ; các yếu tố ảnh hƣởng của việc lựa chọn máy
đào hầm và phụ kiện đi kèm để đề xuất lựa chọn máy đào hầm và các phụ
kiện đi kèm. Giúp cho các đơn vị thiết kế, thi cơng có cơ sở lụa chọn máy và
thiết bị đi kèm khi thi cơng cơng trình tiết diện nhỏ.
- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của là nguồn tài liệu tham
khảo cho các trƣờng đại học có chuyên ngành xây dựng cơng trình ngầm; các
đơn vị tƣ vấn thiết kế, thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ.
Từ các cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu kết hợp thực tế sử dụng các máy
đào hầm tại các cơng trình đã và đang thi công ở Việt Nam và trên thế giới để
lựa chọn máy đào hàm và phụ kiện đi kèm khi thi cơng cơng trình ngầm tiết
diện nhỏ đối với từng điều kiện thực tế khác nhau.


- 12 -

7. Kết cấu của luận văn
Luận văn gồm 03 phần: Mở đầu, Phần nội dung chính, Kết luận và kiến
nghị. Phần Nội dung chính của luận văn gồm 04 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về thi cơng cơng trình ngầm bằng máy đào hầm
loại nhỏ.
Chƣơng 2: Các sự cố khi thi cơng cơng trình ngầm bằng máy đào hầm

loại nhỏ.
Chƣơng 3: Nhận xét và đánh giá nguyên nhân xảy ra sự cố.
Chƣơng 4: Đề xuất lựa chọn các loại máy đào hầm loại nhỏ và các phụ
kiện đi kèm khi thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ.
8. Lời cảm ơn
Đề tài: “Nghiên cứu lựa chọn máy đào hầm cùng các phụ kiện đi kèm
khi thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ” là sự thể hiện những kiến thức đã
đƣợc học tập và thu nhận của Tác giả. Qua đây, Tác giả xin gửi lời cảm ơn
chân thành tới các thầy cô trong khoa Xây dựng, Bộ môn Xây dựng cơng
trình ngầm và mỏ; Phịng Sau đại học; Ban Giám Hiệu nhà trƣờng và đặc biệt
là Thầy giáo TS. Đặng Trung Thành ngƣời đã dành nhiều sự quan tâm giúp
đỡ, tận tình hƣớng dẫn Tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt
nghiệp này.
Sau cùng, xin đƣợc cám ơn các Thầy, Cô trong hội đồng bảo vệ và kính
mong nhận đƣợc sự quan tâm, nhận xét của q Thầy, Cơ để Tác giả có điều
kiện hồn thiện tốt những nội dung của luận văn nhằm đạt đƣợc hiệu quả, tính
hữu ích vào trong thực tiễn.


- 13 -

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM
BẰNG MÁY ĐÀO HẦM LOẠI NHỎ
1.1. Khái niệm và phân loại cơng trình ngầm:
1.1.1. Khái niệm chung:
Xây dựng cơng trình ngầm ngày càng trở nên bức thiết trong nền kinh
tế
quốc dân, đặc biệt trong việc xây dựng cơng trình thủy lợi, giao thông đƣờng
sắt, đƣờng bộ, giao thông trong các đơ thị lớn, xây dựng cơng trình kĩ thuật hạ
tầng. Đặc điểm kĩ thuật và thiết kế thi công cơng trình ngầm có nhiều điểm

khác với cơng trình xây dựng trên mặt đất.
Các cơng trình ngầm đƣợc xây dựng trong lịng đất, trong lịng núi, có
quy mơ khơng lớn nhƣng liên quan đến nhiều giải pháp kĩ thuật, chịu ảnh
hƣởng của nhiều yếu tố chi phối, cho nên phải xem xét tổng hợp nhiều vấn
đề: quy mô và tầm quan trọng, độ sâu đặt cơng trình ngầm, điều kiện địa kĩ
thuật, điều kiện địa chất thủy văn, kích thƣớc mặt cắt ngang cơng trình, khả
năng thi cơng, giá thành xây dựng,...
1.1.2. Phân loại cơng trình ngầm:
1.1.2.1. Phân loại theo mục đích sử dụng:
- Cơng trình ngầm dùng cho vận tải: Hầm đƣờng sắt, hầm tàu điện
ngầm, hầm đƣờng ôtô, hầm dẫn nƣớc, hầm vận chuyển quặng,...
- Cơng trình thủy cơng ngầm: Hầm thuỷ điện, cấp nƣớc và thốt
nƣớc,...
- Hầm phục vụ kinh doanh đô thị: Hầm đặt đƣờng ống cấp thoát nƣớc;
hầm
cung câp gas, đƣờng ống dẫn dầu, nƣớc nóng; đƣờng đặt cáp điện,...
- Cơng trình ngầm có chức năng đặc biệt: Hầm nhà máy, xƣởng tuyển
quặng,


- 14 -

trạm phát điện ngầm, nhà hát, nhà kho, bến xe ngầm,...
- Cơng trình ngầm khai thác khống sản.
1.1.2.2. Phân loại cơng trình ngầm theo kích thước tiết diện của chúng
Tùy theo diện tích tiết diện gƣơng đào mà ngƣời ta cũng có thể chia
cơng trình ngầm ra làm 3 nhóm [8]:
- Nhóm cơng trình ngầm tiết diện nhỏ: những cơng trình ngầm dạng
này thƣờng có tiết diện sử dụng S <18m2. Các cơng trình ngầm loại này
thƣờng là những cơng trình ngầm dân dụng hay các đƣờng lị trong các mỏ.

- Nhóm cơng trình ngầm tiết diện trung bình: thƣờng có tiết diện sử
dụng S = (18-32)m2
- Nhóm cơng trình ngầm tiết diện lớn: khi S > 32m2. Các cơng trình
ngầm loại này thƣờng là các cơng trình phục vụ lợi ích giao thơng vận tải và
thủy điện trung bình và lớn.
Ngồi ra cịn có thể phân loại theo vị trí thế nằm, hình dạng vỏ hầm,
theo tƣơng quan giữa chiều dài và chiều rộng cơng trình ngầm,...
1.2. Các biện pháp thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ:
Hiện nay, các cơng nghệ thi cơng cơng trình ngầm rất phong phú và đa
dạng, chúng là tổ hợp khá linh hoạt của nhiều giải pháp kỹ thuật và sơ đồ
công nghệ khác nhau. Tuy vậy, phƣơng pháp thi công cơng trình ngầm đƣợc
chia thành hai nhóm:
+ Phƣơng pháp thi công lộ thiên;
+ Phƣơng pháp thi công ngầm.
Với đề tài “Nghiên cứu lựa chọn máy đào hầm cùng các phụ kiện đi
kèm khi thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ” do đó luận văn chỉ đề cập
đến nội dung nghiên cứu thi cơng cơng trình ngầm bằng máy đào hầm loại
nhỏ sử dụng hệ thống vận chuyển đất đá thải bằng thủy lực.


- 15 -

1.2.1. Thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ bằng phương pháp thông
thường (phương pháp truyền thống):
- Phƣơng pháp thủ cơng: sử dụng búa chèn (búa khí nén), xẻng khí nén,
các phƣơng tiện thơ sơ nhƣ chng, búa, xà beng...
- Phƣơng pháp khoan - nổ mìn (sử dụng năng lƣợng nổ của thuốc nổ để
phá vỡ đất đá);
- Phƣơng pháp sử dụng các máy đào xúc (máy xúc gầu thuận, gầu
gƣợc, máy xúc đổ hông) máy cào, máy sới;

- Máy đào lò RH.
Ƣu điểm của phƣơng pháp thi cơng thơng thƣờng là: Các phƣơng pháp
này có thể áp dụng thi cơng các cơng trình ngầm với mọi dạng tiết diện khác
nhau, kích thƣớc tiết diện đào có thể biến đổi trong q trình thi cơng; phƣơng
pháp khoan nổ mìn phù hợp với điều kiện đá rắn cứng có độ bền cao…
Nhƣợc điểm: Q trình thi cơng phải phân ra nhiều công đoạn; do tiết
diện nhỏ lên thao tác vận hành các máy đào xúc máy cào, máy sới, máy đào lị
RH rất khó khăn; q trình đào tiến gƣơng phải dừng lại để thi công khung vỏ
chống; hay xảy ra sự cố kỹ thuật do có tác động lớn đến vùng đất đá biên
cơng trình ngầm; tiến độ chậm, tốn nhân lực, dẫn tới kéo dài thời gian xây
dựng cơ bản, giá thành thông thƣờng tăng cao…
1.2.2. Thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ bằng máy móc thiết bị
Thi cơng cơng trình ngầm bằng các máy đào xúc; máy cào; máy sới;
máy đào lò RH cũng thực hiện bằng máy. Tuy nhiên hầu hết các công tác
khác của q trình thi cơng đƣợc thực hiện bằng thủ công và không đƣợc phối
hợp thực hiện bằng các biện pháp cơ giới cho nên đƣợc xếp vào phƣơng pháp
thi cơng thơng thƣờng.
1.2.2.1. Thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ bằng máy đào hầm TBM, SM:
Phƣơng pháp đào bằng máy khoan hầm (TBM, SM) đƣợc xếp vào


- 16 -

nhóm thi cơng bằng máy, bởi lẽ ở đây không chỉ công tác đào mà hầu hết các
công tác khác của q trình thi cơng cũng đƣợc phối hợp thực hiện bằng các
biện pháp cơ giới, Tuy nhiên phƣơng pháp đào bằng máy khoan hầm (TBM,
SM) cho các cơng trình ngầm tiết diện nhỏ là khơng phù hợp do ngƣời và các
máy móc, thiết bị cùng vận hành trong đồng thời trong đƣờng hầm, vận
chuyển các cấu kiện bê tông đúc sẵn để lắp ghép khung vỏ chống và các công
tác khác nhƣ vận chuyển đất đá thải, thơng gió, thốt nƣớc, thiết bị điện, điều

khiển… trong một tiết diện nhỏ là rất khó khăn và khơng phù hợp. Theo thực
tế về việc thi cơng cơng trình ngầm bằng máy máy khoan hầm (TBM, SM)
với các đƣờng hầm có chiều dài <1km là khơng kinh tế do chi phí xây dựng
nhà ga để tháo, lắp máy đào hầm là rất lớn.
1.2.2.2. Thi cơng cơng trình ngầm tiết diện nhỏ bằng phương pháp kích đẩy:
Phƣơng pháp đào cơng trình ngầm tiết diện nhỏ bằng phƣơng pháp kích
đẩy về mặt công nghệ là sự kết hợp giữa phƣơng pháp ép đẩy hay kích ép
ống, và phƣơng pháp máy khiên đào loại nhỏ (Micro TBM) hay còn gọi là
máy đào hầm loại nhỏ (MĐHLN). Phạm vi áp dụng chính là các hệ thống
cơng trình ngầm có kích thƣớc nhỏ, chẳng hạn các cống dẫn nƣớc, các cống
đặt cáp ngầm...
Khi xây dựng cơng trình ngầm trong các thành phố phải đặc biệt
quan tâm đến khả năng lún sụt trên bề mặt; và để bảo vệ, tránh gây ô nhiễm
nƣớc ngầm trong khu vực các thành phố. Phƣơng pháp kích đẩy ống thƣờng
thích hợp cho các cơng trình có khẩu độ tƣơng đổi ngắn, nhƣ các cống dẫn
nƣớc, các cống đặt cáp ngầm, các đƣờng hầm đi bộ, các hành lang trong ga
khi bố trí khơng sâu. Tuy nhiên, nhờ những tiến bộ về kỹ thuật điều khiển,
bằng phƣơng pháp kích đẩy cũng đã có thể thi cơng các cơng trình ngầm dài
hơn.


- 17 -

a) Định nghĩa máy đào hầm loại nhỏ
Trong thực tế xây dựng trên thế giới về định nghĩa máy đào hầm loại
nhỏ (MĐHLN) đƣợc hiểu theo nhiều cách khác nhau. Ở Bắc Mỹ định nghĩa
rằng: “Các máy đào hầm loại nhỏ đƣợc kiểm soát từ xa, với hệ thống dẫn
đƣờng bằng laser, hệ thống kích đƣợc sử dụng tạo lực đẩy, áp lực liên tục lên
gƣơng đào để đào, cân bằng áp lực nƣớc và áp lực đất” [11].
Theo Stein “Khi thi cơng cơng trình ngầm bằng MĐHLN, ống kích

đƣợc kích từ giếng thi cơng với sự trợ giúp của một hệ thống kích đẩy đến
giếng nhận. Đồng thời một hệ thống điều khiển từ xa điều khiển chu trình đào
và vận chuyển đất đá tại gƣơng đào ra ngoài” [20]. Việc sử dụng MĐHLN
đƣợc áp dụng để thi công xây dựng các đƣờng hầm tiết diện nhỏ có đƣờng
kính 0,3 m đến 4,2 m. Đã có hơn 1000 MĐHLN đƣợc sử dụng để thi cơng
cơng trình ngầm (CTN) tiết diện nhỏ trong hơn 20 năm trở lại đây và cơng
nghệ thi cơng CTN bằng MĐHLN đã có những tiến bộ vƣợt bậc [7]. Thông
thƣờng MĐHLN đƣợc sử dụng tại những nơi có điều kiện thi cơng chật hẹp
hay trong các đô thị, nơi tiềm ẩn các nguy cơ sự cố cao.
b) Cấu tạo và phân loại máy đào hầm loại nhỏ
* Cấu tạo chung của máy đào hầm loại nhỏ

Cấu tạo máy đào hầm loại nhỏ cũng tƣơng tự nhƣ các loại máy đào
hầm khác (Hình 1.1) bao gồm cụm hệ thống: buồng điều khiển; hệ thống cần
trục; ống kích; giếng thi cơng; giếng nhận; hệ thống kích đẩy; phần CTN đã
thi cơng (ống kích đã kích); máy đào hầm (đầu đào, hệ thống vận chuyển đất
đá thải, hệ thống laser dẫn hƣớng).


- 18 -

Hình 1.1. Tổng quan hệ thống máy đào hầm loại nhỏ [15]
1. Buồng điều khiển

6. Hệ thống kích đẩy

2. Hệ thống cần trục

7. Phần CTN đã thi công

3. Ống kích

8. Máy đào hầm

4. Giếng thi cơng

9. Hệ thống laser dẫn hƣớng

5. Giếng nhận
Chức năng và nhiệm vụ từng bộ phận:
- Buồng điều khiển: có chức năng điều khiển toàn bộ hệ thống
MĐHLN (điều khiển hoạt động của hệ thống kích đẩy, hệ thống cần trục, hệ
thống kích đẩy trung gian và máy đào hầm). Để thuận tiện cho việc quản lý và
vận hành thi công buồng điều khiển đặt trên mặt đất gần với giếng thi công;
- Hệ thống cần trục: có chức năng vận chuyển thiết bị, ống kích xuống
giếng thi cơng để phục vụ cơng tác thi công và vận chuyển đất đá thải vào
thùng chứa;
- Ống kích có chức năng chịu lực cho tồn bộ CTN khi hồn thành.
Đƣợc đúc sẵn, tập kết phía trên mặt đất. Khi thi công đƣợc đƣa xuống giếng


- 19 -

thi công bằng hệ thống cần trục;
- Giếng thi cơng (Hình 1.2): là khu vực bố trí hệ thống kích đẩy, cáp
điều khiển và là vị trí đƣa ống kích từ trên mặt đất xuống hệ thống kích, vận
chuyển đất đá thải lên trên mặt đất. Ngoài chức năng để bố trí máy móc thiết
bị, giếng thi cơng đƣợc thiết kế đặc biệt có tƣờng phản áp với nhiệm vụ làm
đối tải cho hệ thống kích đẩy. Trong suốt thời gian thi cơng giếng cần đảm
bảo kín nƣớc để máy móc vận hành, sau khi cơng trình hồn thành có thể sử

dụng làm giếng kiểm tra, buồng tác nghiệp phục vụ vận hành CTN;

Hình 1.2. Giếng thi cơng [12]
- Giếng nhận (Hình 1.3): là khu vực kết thúc của đƣờng hầm, đoạn
đƣờng hầm, tại đây sẽ tiến hành thu hồi máy đào hầm. Với đƣờng hầm dài
chia thành nhiều giai đoạn thi cơng thì giếng nhận này sẽ đƣợc sử dụng làm
giếng thi công cho giai đoạn tiếp theo. Tƣơng tự giếng thi công, giếng nhận
sau khi công trình hồn thành có thể sử dụng làm giếng kiểm tra, buồng tác
nghiệp phục vụ vận hành CTN.
Việc định kích cỡ và sơ đồ bố trí giếng kích đẩy và giếng nhận phụ


- 20 -

thuộc vào: kích thƣớc và cấu hình của thiết bị kích, loại máy đào hầm, kích cỡ
của các bộ phận của máy đào hầm, độ dài và kích thƣớc của đốt ống, các điều
kiện về đất và nƣớc ngầm và kiểu hệ thống chống đỡ đƣợc sử dụng. Chi phí
để xây dựng các giếng kích đẩy và giếng nhận có thể chiếm một tỷ lệ đáng kể
trong tổng chi phí của dự án và cần đƣợc đánh giá nhằm đƣa ra đƣợc một thiết
kế kinh tế nhất, đáp ứng đƣợc mọi yêu cầu sử dụng;

Hình 1.3. Giếng nhận [12]
- Hệ thống kích đẩy: có chức năng là kích đẩy các ống kích và máy đào
hầm tiến về phía trƣớc. Hệ thống đƣợc tỳ vào phần tƣờng phản áp của giếng
thi cơng để làm đối trọng kích ống kích và máy đào hầm tiến về phía trƣớc.
Hệ thống kích đẩy thƣờng bao gồm: hệ thống kích đẩy chính và các hệ thống
kích đẩy trung gian.
+ Hệ thống kích đẩy chính: lực kích đẩy cần thiết khi thi cơng kích đẩy
có thể từ vài chục tấn đến hàng nghìn tấn, phụ thuộc vào kích thƣớc ống,
chiều dài đoạn kích đẩy và điều kiện đất nền. Thông thƣờng mỗi hệ thống

- 21 -

kích gồm nhiều kích hoạt động đồng bộ. Các kích cần có hành trình càng dài
càng tốt, tốt nhất là hành trình kích bằng chiều dài một đốt ống. Việc xác định
lực kích ép và số lựơng kích trong hệ thống kích phụ thuộc vào: Các đặc
trƣng của đất nền, đƣờng kính và chiều dài đoạn ống, độ trơn nhẵn của ống và
chất bôi trơn khi xây dựng, độ thẳng của tuyến ống, việc sử dụng các trạm
kích trung gian,... Hệ thống kích bao gồm các bộ phận chính: giá/ khung kích
(jacking frame), kích thuỷ lực (hydraulic jack) và vịng kích đẩy
(jacking/thrust ring). Các loại kích nhiều tầng thƣờng đƣợc sử dụng cho phép
tăng chiều dài kích ép trong mỗi đợt kích có thể lên tới 4 m;
+ Hệ thống kích đẩy trung gian: đƣợc đặt để hỗ trợ hệ thống kích đẩy
chính khi lực kích đẩy cần thiết vƣợt quá cƣờng độ của ống. Khi đó ngƣời ta
chia chiều dài thi công thành nhiều đoạn nhỏ và kích đẩy khơng đồng thời các
đoạn để giảm bớt lực kích đẩy. Mỗi hệ thống kích đẩy trung gian thƣờng gồm
một số kích với hành trình từ 30 cm đến 100 cm. Khi kích của một hệ thống
đã đạt đến hành trình tối đa, hệ thống kích ở ngay phía sau nó sẽ đƣợc khởi
động và đẩy đoạn ống phía sau tiến lên, đồng thời làm hồi dầu kích của các hệ
thống đã kích trƣớc đó. Việc điều khiển các hệ thống kích đẩy trung gian
đƣợc thực hiện theo lịch trình kích đẩy chung của tồn tuyến. Sau khi kết
thúc, ngƣời ta thu dọn các kích ở hệ thống kích đẩy trung gian và bịt kín các
vị trí này để chống rị rỉ nƣớc;
- Phần CTN đã thi cơng: trong giai đoạn thi cơng có chức năng truyền
lực từ hệ thống kích đẩy đến máy đào hầm, là lối đi lại (đối với đƣờng hầm
kích thƣớc đủ lớn), vận chuyển máy móc, đất đá thải về giếng thi cơng để đƣa
lên mặt đất. Sau khi CTN hồn thành có chức năng là kết cấu chống chịu lực
cho toàn bộ CTN;
- Máy đào hầm (Hình 1.4) bao gồm cụm hệ thống: đầu đào, hệ thống

vận chuyển đất đá và hệ thống quan trắc điều chỉnh hƣớng. Đầu đào có tác


- 22 -

dụng phá vỡ đất đá tại gƣơng hầm, đất đá sẽ đƣợc vận chuyển qua hệ thống
vận chuyển đất đá lên mặt đất. Hệ thống vận chuyển đất đá thải vận chuyển
đất đá thải sau khi đào lên mặt đất và chuyển ra bãi thải. Hệ thống quan trắc
điều chỉnh hƣớng tuyến và cao trình tuyến đƣợc sử dụng bằng cơng nghệ laser
hiện đại, có chức năng điều khiển, kiểm soát hƣớng đi của máy đào hầm, khi
máy đào hầm đi lệch hƣớng hệ thống sẽ có cảnh báo để cán bộ kỹ thuật điều
chỉnh lại hƣớng cho máy đào hầm đúng với các yêu cầu trong thiết kế.

Hình 1.4. Máy đào hầm loại nhỏ [12]
1. Đầu đào
2. Hệ thống vận chuyển đất đá thải
3. Hệ thống laser


- 23 -

Hình 1.5. Cấu tạo bên trong máy đào hầm loại nhỏ [12]
* Phân loại máy đào hầm loại nhỏ

Nguyên lý hoạt động chung của MĐHLN đƣợc đặc trƣng bởi 2 yếu tố
cơ bản: đào vận chuyển đất đá thải và kích đẩy kết cấu chống chịu lực. Hệ
thống kích tác dụng lực vào máy đào hầm, đầu cắt xoay tròn phá vỡ đất đá và
tiến về trƣớc. Đất đá thải đƣợc phá vỡ nghiền nhỏ và vận chuyển lên mặt đất
nhờ hệ thống vận chuyển đất đá thải. Dựa vào các phƣơng pháp vận chuyển
đất đá thải khác nhau lên mặt đất, Stein phân ra 3 loại MĐHLN (Hình 1.6).

Hình 1.6. Phân loại máy đào hầm loại nhỏ [14]