khai thác kết cấu hoạt động và quy trình lắp đốt hầm của máy khoan hầm TBM cân bằng áp lực bằng vật liệu khoan

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢIKHOA CƠ KHÍ</b>

<b>BỘ MƠN MÁY XÂY DỰNG</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

MỤC LỤC

<b>Chương 1 : Tổng quan và sơ lược về máy khoan hầm TBM</b>

1.1 Vài nét về xây dựng cơng trình ngầm1.2 Khái niệm máy TBM

2.Phân loại

3. Phạm vi sử dụng

<b>Chương 2 : Cấu tạo và hoạt động</b>

2.1 Cấu tạo thiết bị máy khoan hầm TBM2.2 Hoạt động của máy khoan hầm TBM

<b>Chương 3 : Quy trình lắp đốt hầm</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>Chương 1 : Tổng quan và sơ lược về máy khoan hầm TBM</b>

1.1Vài nét về xây dựng cơng trình ngầm

Khoảng giữa thế kỷ 19, ngành đường sắt phát triển mạnh mẽ kéo theo công nghệ đào hầm ra đời để phục vụ thi cơng các cơng trình tàu điện ngầm. Đầu tiên là cơng nghệ đào hầm nổ mìn cổ điển. Nhược điểm của nó là thi cơng đào hầm mất nhiều thời gian, độ an tồn thấp vì nổ mìn gây rung chấn, thời gian thi cơng rất chậm, đặc biệt khó khăn khi thi công các đường hầm dài. Thời kỳ đó, cơ khí,

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

tự động hóa phát triển, công nghệ mới phát triển... là cơ sở thơi thúc các kỹ sư hầm tìm ra cơng nghệ mới nhằm phục vụ thi công đào hầm được dễ dàng và an toàn hơn. Năm 1846, tại Turin (Italia), mẫu máy TBM tiền thân đã xuất hiện, được thử nghiệm và đưa vào áp dụng thi công hầm. Cỗ máy này rất cồng kềnh, áp dụng thực tế không hiệu quả. Gần 100 năm sau, đến năm 1930, J.S. Robbins mới nghiên cứu và cho ra đời mẫu máy TBM đầu tiên với những tính năng tương đối giống như máy TBM ngày nay. Những năm 1950, TBM được áp dụngrộng rãi trong đào hầm núi đá. Đến nay, máy TBM ngày càng được hoàn thiện hơn và trở thành công nghệ số 1 trong thi công các công trình liên quan đến đào hầm như giao thơng, thủy điện.

1.2. Khái niệm Máy tbm

TBM (tunnel boring machine) là thiết bị khoan hầm có thể thi cơng trên mọi loại địa chất từ đá cứng đến đất yếu, đất sét, đất bồi hay đất cát dưới mực nước ngầm, đi xuyên núi hay lòng biển.TBM là thiết bị đào và làm đường hầm bằng phương pháp nghiền nát đá, hồn tồn khơng gây nổ, cơng nghệ của Italy. Đầu máy có đường kính 5,5m, nặng 450 tấn được lắp 37 mũi khoan làm bằng hợp kim đặc biệt gọi là "black diamon", có thể đâm thủng những lớp đá cực cứng. Cùng với việc đào không khoan nổ và vận chuyển vật liệu đá đào ra ngoài bằng băng chuyền, thiết bị này đồng thời còn lắp dựng bê tông đúc sẵn vỏ đường hầm. Nghĩa là máy đi đến đâu đường hầm được hoàn thiện ngay đến đó

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Đất đượcTBM là loại khiên cân bằng áp của herrenknecht được sử dụng trong các điểu đào bởi đầu cắt của khiên sẽ được gia cố gương đào. Chất tạo bọt được bơm vào trước đầu cắt làm cho đất đào kết dính lại đảm bảo kiểm sốt chính xác áp lực hỗ trợ bề mặt cũng như dễ dàng đưa được đất đào ra ngồi.

Những tính năng ưu điểm của khiên đào cân bằng áp+ Tính ổn định cao nhờ áp lực hỗ trợ gương đào

+ Phạm vi sử dụng rộng rãi thông qua việc xử lý đất hồn hảo+ Ln áp dụng các kỹ thuật cơng nghệ mới có kích thước lớn+ Ln đổi mới về công nghệ đáp ứng nhu cầu chuyên biệt

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

2) Phân loại.

Máy thi công cơng trình ngầm là những máy xây dựng và thiết bị có tính chundụng cao phục vụ cho cơng tác xây dựng cơng trình ngầm, tuyến tunnel ngầm giao thơng đường sắt, đường bộ, tuyến đường ống ngầm hạ tầng kỹ thuật đô thị, thuỷ điện...Do vậy máy và thiết bị thi cơng cơng trình ngầm có rất nhiều chủng loại và đa dạng. Người ta phân loại máy và thiết bị thi cơng cơng trình ngầm theo nhóm máy chủ đạo của từng công nghệ thi công hoặc theo công dụng của chúng như sau:

2.1 Tổ hợp máy phát lực: Tổ máy phát lực có nhiệm vụ cung cấp động năng cho các cơ cấu công tác của các máy thi công ngầm làm việc. Tổ máy phát lực của các máy thi cơng cơng trình ngầm có thể là tổ hợp động cơ điêzel - bơm dầu thuỷ lực, tổ hợp đông cơ điện – bơm dầu thuỷ lực, tổ hợp động cơ điêzel – máy nén khí hoặc các đơng cơ hoạt động độc lập v.v...

2.2 Máy bốc xúc và vận chuyển đất đá hầm lị:

• Máy bốc xúc: có nhiệm vụ bốc xúc đất đá làm sạch mặt bằng phía trước gương đào để đổ trực tiếp hoặc gián tiếp vào các máy vận chuyển đất đá. Các máy này có hai loại là loại làm việc theo chu kỳ và loại bốc xúc liên tục.

• Máy vận chuyển hầm lị gồm có:

- Các máy vận chuyển liên tục như: băng tải, gầu tải, vít tải v.v...có nhiệm vụvận chuyển đất đá ra khỏi gương đào và vận chuyển vật liệu xây dựng và máy móc từ mặt đất tới nơi thi công. Hướng vận tải là phương ngang hoặc phương nghiêng .

- Các máy vận chuyển không liên tục như: ơtơ tải hầm lị, vận tải đường 6 sắtxe goòng hầm lò...Hướng vận chuyển là phương ngang hoặc phương nghiêng. * Máy nâng chuyển: đây là những máy có hướng vận chuyển gần như vng góc

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

với tuyến tunnel. Chúng được bố trí ở giếng đứng có nhiệm vụ đưa đất đá lên mặt đất và đưa vật liệu, cấu kiện xây dựng cùng với công nhân xuống tuyến ngầm. Ta phải phân biệt các máy này với các máy nâng chuyển phục vụ thi cơngcơng trình ngầm như các tầng hầm nhà cao tầng, các bãi đỗ xe ngầm và tuyến ngầm bằng công nghệ đào hở.

2.3 Máy và thiết bị thi công tuyến ngầm và cơng trình ngầm bằng cơng nghệ đào hở gồm có:

- Các máy thi cơng tường trong đất;

- Các máy bốc xúc đất trong công nghệ đào hở;

- Các máy nâng chuyển trong công nghệ đào hở - cổng trục.

2.4 Máy và thiết bị thi cơng tuyến ngầm bằng phương pháp khoan nổ mìn: - Các dụng cụ khoan: Mũi khoan, ty khoan (cần khoan)

- Các máy khoan cầm tay; - Máy khoan cột;

- Cỗ máy khoan hầm lò.

2.5 Máy và thiết bị thi công tuyến ngầm bằng phương pháp khiên và tổ hợp khiên:

- Khiên thủ công; - Khiên bán thủ cơng;

- Tổ hợp khiên cơ giới hố hoàn toàn loại thường dùng cho đất mềm – 7 “Soft Ground Non Pressurized”;

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

- Tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng đất – “EARTH PRESSURE BALANCE”;

- Tổ hợp khiên đào lò với khoang cân bằng áp lực bằng dung dịch betonite cao áp – “SLURRY PRESSURE BALANCE SPB”;

- Tổ hợp khiên đào lò với khiên đơn và khiên đôi - “SINGLE AND DOUBLE SHIELD TBMS”;

- Tổ hợp máy đào tuyến ngầm một càng dùng trong nền đá cứng – “MAIN BEAM TBM”.

2.6 Máy và thiết bị phục vụ cho công tác bê tông, bê tông cốt thép cơng trình ngầm gồm:

- Máy và thiết bị gia cố vách tunnel tạm thời bằng công nghệ phun khô; - Máy và thiết bị gia cố vách tunnel tạm thời bằng công nghệ phun khô; - Máy trộn bê tông;

- Các loại ván khuôn di động; - Máy vận chuyển bê tông; - Máy bơm bê tông;

- Máy làm chặt bê tông; - Máy lắp ráp vỏ lò; - Máy ép vữa.

2.7 Máy và thiết bị phụ trợ thi công tuyến ngầm khác như:

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

- Máy sử lý nền đất cho tuyến ngầm

– Máy và thiết bị sử lý nền đất yếu bằng công nghệ khoan phụt vữa cao áp. - Máy và thiết bị thơng gió tuyến ngầm;

- Máy và thiết bị định vị hướng đào; - Các máy tách đất, máy bơm bùn v.v...

- Thiết bị an toàn, chiếu sáng. Máy và thiết bị thi cơng cơng trình ngầm có thể là một máy đơn lẻ, một cỗ máy phục vụ cho một công đoạn trong công nghệ thi công và nhiều khi chúng được coi như một dây chuyền (một công xưởng) thực hiện trọn vẹn tồn bộ các cơng đoạn của một cơng nghệ thi công từ đào đất tới thi công vỏ hầm tunnel vĩnh cửu.

2.8 Cấu tạo chung của máy cơng trình ngầm gồm những bộ phận chính cơ bản sau:

a. Thiết bị động lực: Động cơ đốt trong, điện, bơm dầu và máy nén khí. b. Hệ thống truyền động: Cơ khí, thuỷ lực, điện, khí nén và hỗn hợp c. Cơ cấu công tác.

d. Cơ cấu di chuyển. e. Hệ thống điều khiển.

f. Các thiết bị phụ khác: thiết bị an toàn, chiếu sáng, trên các tổ hợp khiên đào lò được trang bị các máy tính hiện đại cho phép tự động hố nhiều khâu từ đào đất, điều khiển tới thi cơng hồn chỉnh một tuyến ngầm. Tuỳ theo yêu cầu và chức năng, một số máy có thể có đầy đủ các bộ phận trên hoặc chỉ có một vàibộ phận

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

3) Phạm vi sử dụng

Công nghệ TBM khắc phục hồn tồn tình trạng sang chấn địa chất dẫn đến sự cố sập hầm dễ mắc phải do áp dụng phương pháp khoan nổ trước đây. Ngoài ra, cơng nghệ này cịn bảo đảm các vấn đề về môi sinh, môi trường.

Về tàu điện ngầm là công trình quan trọng trong cấu trúc giao thơng của các thành phố lớn trên thế giới. Các cơng trình tàu điện ngầm thường được xây dựngtrong các thành phố đông đúc với mục đích làm giảm số người sử dụng phương tiện cá nhân để giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông, ô nhiễm môi trường... Khi TBM chưa ra đời thì hầm tàu điện ngầm phải thi cơng bằng phương pháp đào hở (cut & cover). Cách làm này ảnh hưởng lớn đến các cơng trình trên mặt đất, chiếm dụng nhiều không gian phục vụ thi công.

Chính vì thế, cơng nghệ TBM ra đời được đánh giá là cứu cánh cho các dự án tàu điện ngầm vì những ưu điểm của nó. Đào hầm bằng công nghệ TBM thi công phần lớn dưới mặt đất nên khơng tốn diện tích phục vụ thi cơng và hầu nhưkhơng làm ảnh hưởng đến các cơng trình xây dựng trên mặt đất. Đặc điểm của hầm tàu điện ngầm là rất nông (chỉ khoảng -10 đến -15m so với mặt đất), đa số hầm có địa chất rất phức tạp, mức nước ngầm cao..., nên việc thi công bằng công nghệ TMB đã giải quyết được tất cả những vấn đề trên trong khi tất cả các phương pháp khác không làm được. Hai loại máy TBM thường được dùng nhiềunhất để thi công hầm tàu điện ngầm là EPB (ứng dụng áp lực cân bằng) và Slurry (dùng thủy lực)

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Hầu hết các công trình tàu điện ngầm trên thế giới, trong đó có nhiều cơng trình đường hầm dài đều sử dụng hai loại máy này và để lại những dấu ấn về tiến độ, chất lượng. Có thể kể đến là cơng trình hầm đường sắt nối Pháp với Anh, dài 50,5km, khởi cơng năm 1988, hồn thành năm 1994. Gần đây nhất là đường hầm Gotthard dài nhất thế giới (57km) ở Thụy Sĩ khánh thành năm 2015.Đường hầm này có địa chất đá rất phức tạp nhưng khơng gây khó cho các nhà

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

thầu khi họ áp dụng cơng nghệ TBM thi cơng. Cơng trình đưa vào sử dụng đạt chất lượng cao, tàu đi qua đường hầm có thể chạy với vận tốc 250km/h

Ngồi việc là công nghệ không thể thay thế khi thi công các cơng trình tàu điện ngầm, cơng nghệ TBM cũng được nhiều nhà thầu lựa chọn khi thi công cáccông trình ngầm bởi nó có nhiều ưu việt. Đầu tiên là độ an toàn cao. So sánh vớicác phương pháp đào hầm khác thì đây là phương pháp đào hầm an toàn nhất. Hầm được đào trong vỏ sắt bảo vệ của máy TBM. Hầm đào đến đâu, vỏ bê tơng vĩnh cửu được lấp tới đó, khoảng khơng giữa vỏ bê tơng và lớp đất ngồi được phun vữa bê tông chất lượng cao hoặc hỗn hợp silicat đạt tiêu chuẩn nên việc sập hầm không xảy ra. Kỹ sư, công nhân tham gia thi công cũng được an toàn hơn so với các phương pháp khác.

Một trong những tính ưu việt khác của TBM là thi cơng khơng ảnh hưởng đến các cơng trình xung quanh. Máy TBM đào đất và lắp vỏ hầm hoàn toàn tự động, nếu thi cơng tàu điện ngầm thì trên mặt đất xe cộ vẫn chạy bình thường. Ngồi ra, việc thi công nhanh là ưu điểm nổi bật của công nghệ TBM vì mỗi ngày có thể đào và lắp vỏ bê tơng trung bình từ 10-20m. Đó là chưa kể đến những ưu điểm khác như 12 ít làm ô nhiễm môi trường, hiệu quả kinh tế cao khi cơng trình được đưa vào sử dụng nhanh hơn.

<b>Chương 2 : Cấu tạo và hoạt động</b>

2.1 Cấu tạo thiết bị máy khoan hầm TBM

Phương pháp đào hầm bằng BMT có nhiều ưu điểm so với khoan hầm thủ công hoạc khoan nổ mìn. Nếu trong phương pháp khoan mìn hoạc đào thủ công tốc độ mở lớn nhất trên một gường đào là 30-100m/tháng cho đường ngầm ôtô 2

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

luồng thì cũng trong đất như vậy TBM có thể đảm bảo tố độ mở hầm 300-400m/tháng và lớn hơn. Giá thành xây dựng giảm trung bình 20-30%. Đặc biệt sử dụng TBM có hiệu quả khi đào đường hầm kéo dài hơn 1 đến 1,5 km.

TBM được trang bị cơ cấu đào đất, gầu và băng tải để vận chuyên đất lên cácphương tiện vận chuyển TBM tác động mang tính lựa chọn được sử dụng phổ biến. Bộ phận làm việc của chúng được di chuyển trên cần gắn trên phần thân của máy đào, máy kéo hoặc 14 máy tời chuyên dùng. Máy có một hoạc hai đầu cắt-cần lái cho phép tạo nên hầm đào dạng bất kỳ nào : vòm, chữ nhật, tròn, elip vv… Nhược điểm của TBM là không thể sử dụng chúng trong điều kiện đất thayđổi trong phạm vi rộng. Tiếp tục hoán thiện TBM là xem xét tạo ra các cơ cấu tác động trong phạm vi sử dụng rộng với các bộ phận làm việc roto hoạc nhiều cần trang bị cơ cấu treo để lắp đặt hệ thống chống tạm thời cũng như các

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

ngầm được đào từng đoạn trên toàn bộ tiết diện kết hợp với hệ thống chống đỡ tạm thời. phương pháp nyasf chỉ nên sử dụng cho các đoạn hầm ngắn từ 200-300m. Các khu vực có đất đá đủ cứng có thể dùng các thiết bị sau: - Đất có hệ sốkiên cố f=4-6 phổ biến sử dụng phương phát đặt bậc dưới, trong đó phần trên bậc được mở ngay trên toàn bộ chiều dài hầm đào hoặc vượt trước so với phần dưới với l= 30-50m

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Đất đá dạng phiến, sét kết aleurolit v.v. có hệ số kiên cố f = 3-5, cúng như đấtyếu no nước thường sử dụng phương pháp mới của áo (HATM). Đầu tiên tiến hành đào phần đỉnh hầm, gia cường bằng bê tông - phun dày 15-20cm, phun lên lớp lưới thép (h.18). Có thể dùng hệ chống liên hợp từ bê tông phun kết hợp neo hoặc cung vịm. Vỏ mềm bê tơng phun có khả năng biến dạng mà không bị sụt lở nhờ tính từ biến của bê tơng phun.

Sau khi khối đất xung quanh tắt biến dạng (ghi theo đồng hồ neo) tiến hành đào phần giữa của hầm và đổ bê tông vỏ hầm hoặc bê tông - phun dày 25-30cm. Khi có nước ngầm trong hầm đào, cần dán lớp cách nước giữa lớp bọc ngoài và vỏ hầm. Trong phương pháp này kết cấu vỏ hầm được giảm nhẹ rất nhiều nhờ tận dụng quá trình ngưng từ biến của đất, tuy nhiên dễ xuất hiện sự cố khi vành đường hầm lún nhiều,đặc biệt khi tải trọng ngồi khơng đều

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Khiên mở hầm là hệ chống di động. Trong phương pháp này đất được đào vàvỏ hầm cố định được lắp đặt gần như đồng thời.

Các khiên khác nhau về hình dáng, kích thước mặt cắt, khả năng chịu lực, phương pháp đào đất và gia cường mặt gương hầm v.v.

Hình dạng mặt cắt ngang của các khiên rất khác nhau: tròn, vòm, chữ nhật, thang, elip v.v...

Trong phần lớn các trường hợp, khiên có dạng hình trịn tương ứng với dạng vỏ hầm. Nhưng sử dụng tiết diện đường hầm hiệu quả hơn lại là vị hầm có dạng chữ nhật. Theo phương pháp đào đất khiên có loại chính: Khơng cơ giới hố: đất được đào thủ cơng hoặc dùng dụng cụ cơ giới cầm tay. Cơ giới hoá: tất cả các thao tác đào đất, thu dọn đất hồn tồn được cơ giới hố.

Cấu tạo khiên :

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Vòng dao cắt đất theo chu tuyến hầm đào và để bảo vệ người làm việc trong gương hầm. Khi mở hầm trong đất mềm, vịng dao có phần trên rộng ra- dầm dẫn, cịn trong đất yếu- mái đua ngăn ngừa sự cố.

Vòng tựa cùng vòng dao là các kết cấu chịu lực chính của khiên. các kích để di chuyển khiên được phân bố đều theo chu vi vòng tựa. khi đường kính khiên khoảng 10m thường được bố trí 30-36 kích.

Vỏ đuôi gia cường chu tuyến của hầm đào tại vị trí thi cơng vịng tiếp theo của vỏ hầm. Các khiên khơng cơ giới hố được trang bị bổ sung các vách ngăn ngang và đứng, các tấm sàn đua, cũng như các kích sàn và gương hầm. các vách ngăn ngang và đứng tạo cho kết cấu khiên độ cứng cần thiết và chia gương hầm thành các ô lưới, trong đó đất được đào đi.

Vấn đề hoàn thiện các kết cấu của khiên được tiến hành theo hướng tạo ra những khiên di chuyển độc lập với vỏ hầm kết hợp tựa vào vòng chống nhờ vỏ ống lồng v.v…

Các khiên cơ giới hoá. Khiên cơ giới hoá được trang bị các bộ phận để đào

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

cấu để bốc đất và đưa ra ngoài giới hạn của khiên. Các khiên cơ giới hoá giảm mức độ nặng nhọc, tăng tốc độ mở hầm, đảm bảo chu tuyến hầm đào phẳng, chophép sử dụng các dạng vỏ hầm hợp lý (ép vào đất, nén ép tồn khối v.v..)

Đất khơng dính có độ ẩm tự nhiên, có thể sử dụng các khiên có sàn ngăn nằmngang đua ra chút ít sau vịng dao và nằm ở độ cao 0,8-1,2m. Nhờ vậy gương hầm được chia ra nhiều tầng, trong mỗi tầng đó, đất được đổ trên các sàn theo góc nghiêng tự nhiên đảm bảo ổn định cho gương hầm không cần gia cường cưỡng bức (h.23). Để mở hầm ngầm trong đất no nước khơng dính, có thể sử dụng hệ thống khiên cơ giới hoá khác nhau, đảm bảo đào đất và gia cường mặt gương hầm (h.24a). Để mở đường hầm trong đất no nước không ổn định sử dụng các khiên có buồng hơi ép gần gương hầm hoặc các khiên có buồng chứa huyền phù bê tơng gần gương hầm (h.24b). Đất sét dính và bùn có độ thấm nướcthấp, sử dụng các khiên cơ giới có gia tải đất tạo nên trong buồng cạnh gương lònhờ nén chặt đất đào. Các tấm được trang bị bộ phận làm việc dạng rôto và màng liên tục tách buồng cạnh gương lò khỏi phần còn lại của khiên

</div>